Thermo-Mechanische Simulationen

Mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) koppeln wir die Strukturmechanik mit weiteren physikalischen Bereichen, wie der Wärmeübertragung für thermomechanische Simulationen. Durch die Schnittstelle mit einem CAD-Programm und den Einsatz eines High Performance Computing Clusters (HPC-Cluster) sind wir in der Lage sehr komplexe und damit rechenaufwändige Fragestellungen abzubilden.

FEM-Simulation eines handelsüblichen Solarmoduls
© Fraunhofer ISE

FEM-Simulation eines handelsüblichen Solarmoduls mit 60 Zellen bei Mechanischen Belastungstests von 2400 Pa Zug- bis 5400 Drucklast. Gezeigt ist die Zugspannung in den Solarzellen.

FuE-Leistungen für Thermo-Mechanische Simulationen

Im Geschäftsfeldthema Modultechnologie bieten wir folgende Serviceleistungen im Bereich der thermo-mechanischen FEM-Simulation:

  • Abbildung beliebiger Bauteile in einem FEM-Modell und Berechnung auf einem High Performance Computing Cluster (HPC-Cluster)
  • Virtuelle Produktentwicklung und Materialqualifizierung
  • Virtuelle Produktoptimierung
  • Materialcharakterisierung zur Bestimmung der Materialeigenschaften , bspw. als Parametereingabe für die FEM-Simulation
  • Experimentelle Validierung im akkreditierten Prüflabor TestLab PV Modules des Fraunhofer ISE

Anwendungsbeispiele

Thermomechanische Optimierung von PV-Modulen

In einem PV-Modul treten während der Herstellung und im Betrieb durch Temperaturwechsel und mechanische Lasten Spannungen auf. Diese Spannungen können zu Brüchen in den Solarzellen, den Fügestellen oder zum Ermüden der Zellverbinder führen. Simulationen unterstützen uns, diese Spannungen zu verstehen und Strategien zur Spannungsreduktion zu entwickeln. Im Herstellungsprozess treten thermomechanische Spannungen vor allem während des Verschaltens der Solarzellen und der Modullamination auf. Sind die Module in einem PV-Kraftwerk installiert, wirken durch die Witterung mechanische und thermische Kräfte auf die Module ein.

In Simulationen bilden wir die Herstellungsprozesse, sowie die Belastungsszenarien nach. Dabei simulieren wir z.B. den Mechanischen Belastungstest und den Thermischen Wechsellast-Test nach den Anforderungen der Prüfnorm IEC 61215 oder verwenden gemessene Klimadaten, um die im realen Betrieb auftretenden thermischen Spannungen zu bestimmen. Aus den FEM-Simulationen lässt sich ableiten, wie sich Schäden am Modul vermeiden lassen.

FEM-Simulation von Belastungszustände
© Fraunhofer ISE
FEM-Simulation von Belastungszuständen eines handelsüblichen Solarmoduls mit 60 Zellen .

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Analysieren des Einflusses verschiedener Solarzellen- und Modulgrößen auf die mechanische Stabilität
    • Analysieren des Einflusses unterschiedlicher Materialien und deren Materialdicke
  • Vorgehen
    • Erzeugen eines 3D-Modells des gesamten Modulaufbaus, inklusive Rahmen
    • Simulation des Herstellungsprozesses
    • Simulation des Mechanischen Lasttests bei verschiedenen Temperaturen
    • Bewertung anhand der Durchbiegung des PV-Moduls und der Solarzellen-Bruchwahrscheinlichkeit
  • Ergebnis

    Moduloptimierung durch folgende Maßnahmen, um die Solarzellen-Bruchwahrscheinlichkeit zu verringern:
    • geeignetere Materialwahl, z.B. weichere Verkapselung
    • Anpassung des Moduldesigns, z.B. Glas-Glas-Modul
    • aufeinander abgestimmte Verkapselungseigenschaften und Materialdicken
    • geeignetere Modulmontage

ECA-Fügestellen von Schindelmodulen

In der Schindelverbindung werden Solarzellenstreifen vergleichbar zu Dachschindeln verschaltet. Durch den Verzicht von Zellverbindern entsteht so ein besonders ästhetisches und homogenes Aussehen von PV Modulen. Zudem sind diese resistenter gegenüber Verschattung. Elektrisch leitfähige Klebstoffe (engl. electrically conductive adhesives „ECA“) eignen sich durch ihre mechanischen Eigenschaften besonders gut für die Schindelverbindung.

Im Geschäftsfeldthema Modultechnologie untersuchen wir mit thermomechanischen FEM-Simulationen das mechanische Verhalten einer solchen ECA-Schindelfügestelle. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf das viskoelastische Materialverhalten der ECAs gelegt.

FEM-Simulation einer ECA-Schindelfügestellen bei thermischer Last
© Fraunhofer ISE
FEM-Simulation einer ECA-Schindelfügestellen bei thermischer Last.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Analyse des mechanischen Verhaltens ECA-basierter Schindelfügestellen
    • Optimierung der ECA-Schindelfügestelle auf geringen ECA Einsatz und erhöhte Zuverlässigkeit unter Temperaturwechsellasten
  • Vorgehen
    • Erzeugen von 2D- und 3D-Modellen von Schindelverbindungen
    • Bestimmung viskoelastischer Eigenschaften der ECAs
    • Simulation des Herstellungsprozesses
    • Simulation thermisches Wechsellast und Mechanischer Oberflächenlast
  • Ergebnis
    • Identifikation der wichtigen Einflussparameter auf die mechanische Belastung der Fügestellen
    • Optimierte Fügestelle und Modularchitektur für erhöhte Zuverlässigkeit

Optimierung der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose

In der Anschlussdose eines PV-Moduls befinden sich Bypassdioden. Kommt es zu einer Bypassbedingung, kann es durch die hohen Ströme zu großer Wärmeentwicklung in den Bypassdioden kommen. Wird die Wärme nicht gut abgeführt, führt dies zur Überhitzung der Anschlussdosen und damit zum Ausfall des Moduls. 

FEM-Simulation der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose
© Fraunhofer ISE
FEM-Simulation der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Optimierte Wärmeabfuhr von den Bypassdioden in einer PV-Modul Anschlussdose
  • Vorgehen
    • 3D-Modell der Anschlussdose auf Grundlage eines CAD-Modells
    • Simulation der Bypassbedingung
    • Validierung mittels Temperaturmessung mit einer IR-Kamera
    • Simulation verschiedener Füllstoffe
  • Ergebnis
    • Reduktion der Anschlussdosen-Temperatur
    • Identifikation geeigneter Füllstoff-Materialien

Simulation von PV-Lärmschutzwänden

In dem laufenden Forschungsprojekt »PVwins« werden Lärmschutzwände mit integrierten PV-Modulen für den Einsatz an Kraftfahrstraßen und Bahngleisen entwickelt. Mit FEM simulieren wir das Akusto-Mechanische Verhalten eines Lärmschutzelements.

Massive Lärmschutzwand mit PV-Modulen
© R. Kohlhauer GmbH
Massive Lärmschutzwand mit teiltransparenter Ausführung und „Standard“-PV-Modulen.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Entwicklung und Optimierung von PV- Lärmschutzelementen
    • Identifizierung geeigneter Materialklassen
  • Vorgehen
    • 3D-Modell eines Lärmschutzelements mit integriertem PV-Modul
    • Simulation der Schallabsorption
    • Simulation der dynamischen mechanischen Lasten, z.B. Druckwelle eines vorbeifahrenden Zuges
    • Kopplung beider Simulationen zur Akusto-Mechanischen Auslegung des Lärmschutzelements