Eine Forschergruppe aus China und Italien hat den Einfluss verschiedener Neigungswinkel auf das thermische Versagen von Photovoltaikmodulen untersucht. Sie stellten fest, dass sich die Zeit bis zum Ausfall bei einem Neigungswinkel über 30 Grad verlängert.

Mithilfe einer gleichmäßigen Strahlungsplatte und eines Versuchsaufbaus mit einer geneigten Platte untersuchten die Wissenschaftler den thermischen Bruch von Glas, die Oberflächentemperaturen, den einfallenden Wärmestrom und die Bruchcharakteristika. Sie simulierten den Versuchsaufbau außerdem in einem Finite-Elemente-Modell (FEM) und ermittelten den mittleren Fehler.

„Photovoltaikmodule bestehen aus Glas, einem zerbrechlichen Material, das bei Brandeinwirkung schnell brechen oder herausfallen kann. Durch Glasrisse würden die brennbaren Materialien der PV-Module direkt der Brandstrahlung ausgesetzt und mit Sauerstoff versorgt, was zum Ausfall der PV-Anlagen führen kann. Darüber hinaus kann die freiliegende Fläche der Photovoltaikfassade nach dem Brechen und Herausfallen des Glases zu einer großen, brennbaren Oberfläche werden“, so die Gruppe. „Trotz ihrer weitverbreiteten Anwendung und Relevanz wurde die Leistung von PV-Modulen bei unterschiedlichen Neigungswinkeln bisher nicht getestet.“

Die Gruppe nutzte ein 600 mm × 600 mm großes, mit Propangas betriebenes Strahlungspanel als gleichmäßige Wärmequelle. Dagegen platzierte das Team eine PV-Montagevorrichtung aus einem verzinkten Stahlrahmen, der Temperaturen bis zu 1200 °C standhält. In diese Montagevorrichtung wurden 300 mm × 300 mm große monokristalline Silizium-PV-Module mit einer 3,2 mm dicken, nicht gehärteten Glasschicht eingesetzt. Insgesamt wurden 15 Module getestet, jeweils drei für jeden Neigungswinkel von 0°, 15°, 30°, 45° und 60°.

Die Analyse ergab, dass bei der Einwirkung von Wärmestrahlung auf PV-Module die Glasrisse typischerweise an der Kante der maximalen Temperaturdifferenz auf der brandbelasteten Oberfläche entstehen. Sie zeigte auch, dass aufgrund der konvergierenden Bänder an der Unterseite der PV-Module Risse eher dort als an den Modulkanten entstehen, wenn die Neigung größer als 45° ist.

Darüber hinaus wurden zwischen der Glasschicht und der Solarzellenschicht sowie zwischen der Rückplatte und der Solarzellenschicht brennbare Gasblasen gefunden, die laut Aussage der Wissenschaftler möglicherweise durch einen Funken oder in einem echten Feuer entzündet werden könnten.

Die Messungen ergaben außerdem, dass die durchschnittliche Zeit bis zum ersten Ausfall der PV-Module mit zunehmender Neigung der Module von 0° auf 60° anstieg. Konkret betrug die durchschnittliche Zeit bis zum ersten Ausfall 36 Sekunden, 33 Sekunden, 40 Sekunden, 62 Sekunden bzw. 71 Sekunden für die Neigungswinkel 0°, 15°, 30°, 45° bzw. 60°.
„Die Zeit bis zum Ausfall verlängerte sich deutlich, wenn die PV-Module über einen Neigungswinkel von 30° hinaus geneigt wurden. Dieser Winkel gilt als kritisch für das thermische Versagen von PV-Modulen“, so die Wissenschaftler. „Obwohl die Ausfallzeiten in den einzelnen Fällen unterschiedlich waren, lagen die kritischen Temperaturdifferenzen nahe beieinander und reichten von 61° bis 84°C. Die meisten Risse traten bei einer Wärmeleistung von 8–15 kW/m² auf.“

Die Gruppe entwickelte anschließend ein numerisches FEM-Modell des Systems mit der Software Abaqus und beschränkte die Simulation auf 100 Sekunden, da der erste Glasbruch innerhalb dieses Zeitraums auftreten sollte. Im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen erreichte das FEM-Modell einen durchschnittlichen Fehler von 13,5 % bei den Temperaturverteilungen und weniger als 15 % bei den Zeitpunkten des ersten Versagens.

„Angesichts der Schwierigkeiten, die durch die Gasblasen des Ethylen-Vinylacetats (EVA) und die Ausdehnung des Tedlar-Polyester-Tedlars (TPT) entstehen, deutet diese Übereinstimmung darauf hin, dass das thermische Modell die Temperaturfelder von PV-Modulen vorhersagen kann“, schlussfolgerten die Wissenschaftler. „Die Annahme eines dreischichtigen Temperaturanstiegs hat sich für Fälle mit großen Neigungen als geeignet erwiesen.“

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