Thermo-Mechanische Simulationen

Mechanische Lasten sind eine der Hauptursachen für Versagen von PV-Modulen. Sei es durch Oberflächenlasten oder durch thermisch induzierte mechanische Lasten und daraus resultierendes Fügestellenversagen oder Zellverbinder Ermüdung.

Mit der Finite-Elemente-Methode machen wir mechanischen Spannungen im PV-Modul sichtbar, um sie dann zu minimieren. Wir koppeln die Strukturmechanik mit weiteren physikalischen Bereichen, wie der Wärmeübertragung für thermomechanische Simulationen oder Windlasten. 

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 des Modulrahmens

Der Modulrahmen hat einen der höchsten Anteile an den Kosten und CO2-Fußabdruck des PV-Moduls. Daher besteht hier ein großes Potential zur Kosteneinsparung und Reduktion des CO2-Austoßes. Mit mechanischen FEM-Simulationen und weiteren Simulationstools analysieren wir im Geschäftsfeld Modultechnologie bestehende Rahmendesigns in Hinblick auf mechanische Stabilität, Materialverbrauch, CO2-Fußabdruck und Kosten. Hieraus werden Optimierungspotentiale identifiziert und einer erneuten Analyse unterzogen. So wird iterativ das Rahmendesign auf die individuellen Anforderungen optimiert.

Biegung eines 120 Halbzellenmoduls
© Fraunhofer ISE
Simulierte Biegung eines 120 Halbzellenmoduls mit optimiertem Rahmen..

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Optimierung das PV-Modulrahmens auf mech. Stabilität, Materialverbrauch, CO2-Fußabdruck, Kosten
  • Vorgehen
    • Parametrisierung CAD-Modell des Rahmens
    • Kopplung FEM Modell mit CAD-Modell
    • Identifikation Optimierungspotential durch Parameterstudien
    • Begleitende Lebenszyklus, -Kosten und Leistungsanalyse
  • Ergebnis
    • Erhöhte mechanische Stabilität bei geringerem Materialverbrauch und damit geringeren Kosten und CO2-Fußabdruck

Simulation von PV-Lärmschutzwänden

In dem laufenden Forschungsprojekt »PVwins« werden Lärmschutzwände mit integrierten PV-Modulen für den Einsatz an Kraftfahrstraßen und Bahngleisen entwickelt. Um eine bestmögliche Performance dieser Lärmschutzelemente zu gewährleisten, simulieren wir mittels FEM das akustische Verhalten in unterschiedlichen Größenordnungen. Ausgehend von der Bestimmung der Materialparameter durch die Simulation einer Impedanzmessung mittels Kundtschem Rohr über die Simulation der Schalltransmission durch ein einzelnes PV-Element bis hin zur Simulation der kompletten Lärmschutzwand werden alle relevanten Bereiche abgedeckt.

Zeitliche Ausbreitung des Schalls und Reflexion an einer PV-Lärmschutzwand.

Massive Lärmschutzwand mit PV-Modulen
© R. Kohlhauer GmbH
Massive Lärmschutzwand mit teiltransparenter Ausführung und „Standard“-PV-Modulen.
Schalldruckpegel
© Fraunhofer ISE
Oben: Schalldruckpegel ausgehend von einer Punktquelle, z.B. ein Auto. Der Einsatz einer PV-Lärmschutzwand (unten) verringert den Schalldruckpegel merklich.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Entwicklung und Optimierung von PV- Lärmschutzelementen
    • Identifizierung geeigneter Materialklassen
  • Vorgehen
    • Simulative Bestimmung der benötigten Materialparameter durch Abgleich mit experimentell bestimmten Messwerten
    • Simulation des Schalldurchgangswertes eines PV-Lärmschutzelements
    • 2D-Simulation eines Lärmschutzelements mit integriertem PV-Modul
  • Ergebnisse
    • Optimierung der Anordnung der PV-Module auf der Lärmschutzwand
    • Identifikation geeigneter Materialkombinationen um bessere Schallabsorption zu gewährleisten

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

Forschungsprojekt

PVwins

Entwicklung von wandintegrierten PV-Elementen für den Lärmschutz

FuE-Infrastruktur

TestLab PV Modules

Forschungsthema

Modultechnologie

Entwicklung von Verbindungs- und Einkapselungstechnologie, Steigerung der Moduleffizienz, Integrierte Module für Spezialanwendungen