NREL-geführtes Konsortium untersucht, warum Solarmodule im Feld versagen und wie ihre Lebensdauer verlängert werden kanne
Was macht ein gutes Solarmodul aus? Ein paar Dinge liegen auf der Hand: hohe Energieausbeute, niedrige Kosten und zuverlässig im Feld.
Zuverlässigkeit spielt eine große Rolle bei den Lebensdauerkosten und der Leistung von Solarmodulen und -systemen. Diese Hightech-Halbleitergeräte müssen 30 bis 40 Jahre lang Strom aus Sonne, Wind, Hagel, Schnee und Hitze erzeugen.
Wir gehen davon aus, dass sich die Module langsam verschlechtern und im Laufe der Zeit etwas weniger Strom produzieren, da sie im Laufe der Jahre den Bedingungen im Freien ausgesetzt sind. Eine wichtige Frage in der Solarenergiebranche ist genau, wie stark Solarmodule jedes Jahr abgebaut werden (im Allgemeinen 0,5 %–1 %) und wann sie schließlich so stark abgebaut werden, dass sie nicht mehr ausreichend Strom produzieren (oft etwa 20 % Verlust). von ihrer ursprünglichen Ausgabe) oder unsicher werden.
Bei heute gebauten Modulen sind es wahrscheinlich 30 Jahre. Jedes weitere Jahr senkt die Stromkosten für dieses Modul und bedeutet, dass wir weniger Rohstoffe abbauen oder recyceln müssen, um unsere Ziele für saubere Energie zu erreichen. Könnte die Forschung dieses Rentenalter auf 50 Jahre erhöhen?
Das Durable Module Materials (DuraMAT) Consortium wurde im November 2016 mit Mitteln des Solar Energy Technologies Office (SETO) des Energieministeriums (DOE) gegründet und ist ein Konsortium aus mehreren Labors, das vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) mit Sandia National geleitet wird Laboratories und das Lawrence Berkeley National Laboratory als zentrale Forschungslabors. Weitere Forscher von mehreren Universitäten, Solarunternehmen, anderen nationalen Labors und ein Industriebeirat bieten Perspektiven aus der gesamten Solarenergie-Community.
Nach fünf Jahren der Erforschung der Zuverlässigkeit von Solarmodulen und der Vergabe von 30 Millionen US-Dollar für hochwirksame Projekte erhielt DuraMAT von SETO weitere 36 Millionen US-Dollar für sechs weitere Finanzierungsjahre ab 2021, während sich das Konsortium weiterhin auf fünf Jahre konzentriert Kernziele soll einen nachhaltigen, gerechten und gerechten Übergang zu einer kohlenstofffreien Stromerzeugung bis 2035 beschleunigen.
Solarmodule: Wo wir waren und wohin wir gehen
Photovoltaik (PV) – also Licht in Strom umwandelnde – Module gibt es in ihrer modernen Form seit Mitte des 20th Jahrhundert, aber die Technologie hat in den letzten zwei Jahrzehnten ein explosionsartiges Wachstum erlebt. Und die nächsten zwei Jahrzehnte versprechen ein noch größeres Wachstum für Solartechnologien.
„Wenn die Solarenergie expandieren und zu dieser allgegenwärtigen Technologie werden soll, die wir in unserem Stromsystem und in unseren Häusern haben – und für 40 % unserer Stromerzeugung verantwortlich sind –, reichen alte Technologien nicht aus“, sagte Teresa Barnes, eine leitende Forscherin bei NREL und Direktor von DuraMAT. „PV-Module müssen in viel größerem Maßstab effizienter, kostengünstiger und nachhaltiger hergestellt werden. Aber wir müssen auch wissen, dass diese neuen Module – ob es sich um neue Moduldesigns oder neue Zelltechnologien wie bifaziale oder Tandemzellen handelt – im Feld vorhersehbar funktionieren werden.“
DuraMAT erforscht Ideen, die die Lebensdauer von Solarmodulen auf bis zu 50 Jahre verlängern könnten. Und es befasst sich mit neuen Variationen von Modul- und Zelltechnologien, wie z. B. bifazialen Modulen, die auch reflektiertes Licht auf ihrer Rückseite sammeln, oder neuen, hocheffizienten Zellen, die eine fortschrittliche Verpackung erfordern, um länger als 30 Jahre zu überleben.
Um besser zu verstehen, wie Module versagen, hat DuraMAT beschleunigte Belastungstests entwickelt, die auf den Umgebungsbedingungen in verschiedenen Klimazonen basieren. Diese Tests werden mit leistungsstarker materialwissenschaftlicher Forensik (denken Sie an CSI, aber für degradierte PV-Module) und einer detaillierten physikalischen Modellierung dieser Fehler gepaart, um besser zu verstehen, was die Moduldegradation verursacht, mit dem ultimativen Ziel, vorherzusagen, wann sie ausfallen werden. Zu allem Überfluss sammelt DuraMAT die anfallenden Daten in einem zentralen, gemeinsames Datenrepository und wendet seine Erkenntnisse an, um neue, kreative Ansätze zur Verbesserung der Modullebensdauer zu entwickeln.
Das ultimative Ziel ist es, besser vorherzusagen, wie sich neue Materialien und Moduldesigns verhalten werden, und Vertrauen aufzubauen, dass sie trotz unseres Mangels an langfristigen Felddaten für neue Technologien mehr als 30 Jahre im Feld halten werden. Felddaten zeigen, dass ältere PV-Technologien langlebig sind. DuraMAT wendet dieses Wissen an, um genauere Vorhersagen über neuere Technologien zu treffen.
Solarmodule: Details der Degradation ins Schwitzen
Einer der gefeiertsten Erfolge von DuraMAT ist die Anwendung kombinierter, beschleunigter Belastungstests. Herkömmliche Stresstests setzen Solarmodule einer Reihe von Stressoren aus – wie Hitze, Feuchtigkeit oder Sonnenlicht – aber nur einem oder vielleicht zwei gleichzeitig. Einige der in Feldmodulen beobachteten Ausfälle sind in diesen herkömmlichen Belastungstests jedoch nicht einfach zu reproduzieren, möglicherweise weil die Außenbedingungen die Module in Kombination belasten – Hitze, Licht und Spannung treten an sonnigen Tagen oft zusammen auf oder Wind und Regen während eines Sturms . DuraMAT-Forscher haben herausgefunden, dass Stressoren häufig in Kombination angewendet werden müssen, um schneller feldrelevante Ergebnisse zu erhalten.
Ein Screenshot aus einem vom NREL-Forscher Peter Hacke gedrehten Video zeigt das Innere einer der kombinierten, beschleunigten Testkammern in Golden, Colorado. Die „Donut“-Ringe drücken die Module regelmäßig nach unten und biegen sie, um sie mechanisch zu belasten, während die Kammer sie Wasser, Hitze, Kälte, elektrischer Belastung und ultraviolettem Licht aussetzt.
Während kombinierte Belastungstests keine völlig neue Idee sind, hat DuraMAT sie auf eine neue Ebene gehoben. In kontrollierten Kammern in der Outdoor-Testanlage von NREL werden PV-Module mehreren Stressoren ausgesetzt, wie z. B. extremen Temperaturen (sowohl heiß als auch kalt), durchnässt mit Wasser und UV-Licht, um in einigen Wochen oder Monaten zu simulieren, was im Freien über Jahre hinweg passiert .
Andere Tests sollen andere Belastungen simulieren, beispielsweise wie jahrelange Windeinwirkung Risse in PV-Zellen ausweiten könnte (siehe Video unten). DuraMAT kombiniert diese Informationen dann mit Computermodellen und mikroskopischen Materialanalysen von Solarmodulen, die im Feld ausgefallen sind, um die Mechanismen besser zu verstehen, die diese Ausfälle verursachen.
Nachwuchswissenschaftler beweisen, dass es funktioniert
Eine dieser Bemühungen wurde von einem Team von Nachwuchswissenschaftlern geleitet – DuraMAT legt den Schwerpunkt auf Möglichkeiten für Nachwuchswissenschaftler. Das Team kombinierte Fachwissen und Stärken aus mehreren nationalen Labors, um eine Methode zu entwickeln, mit der auf der Grundlage beschleunigter Tests vorhergesagt werden kann, welche Backsheet-Materialien im Feld reißen würden. Die Branche erlebte eine ziemlich große Anzahl von Modulausfällen (ca. 10 Gigawatt) aufgrund eines neuen Backsheet-Materials, das zwischen etwa 2010 und 2015 weit verbreitet war. Dieses Material begann nach einigen Jahren im Feld zu reißen, obwohl es alle Industriestandards erfüllte Qualifikationsprüfungen.
Eine Rückseitenfolie ist die unterste Schicht eines Solarmoduls, die die Rückseite des Moduls umschließt und häufig aus Polymermaterialien (Kunststoff) hergestellt ist. Diese Schicht bietet einem Modul eine entscheidende elektrische Isolierung und mechanische Integrität, und das Versagen des Materials zwang die PV-Entwickler, Module mit der „schlechten“ Rückseitenfolie zu ersetzen. (Die PV-Industrie hat auch mehrere etablierte „gute“ Backsheet-Materialien, die Jahrzehnte überdauert haben.)
Die Verwendung bekannter guter und schlechter Rückseitenfolien ermöglichte es dem DuraMAT-Team, ein Verfahren zur Validierung neuer Testsequenzen zu entwickeln. Durch die Kombination dieser Sequenz mit fortschrittlichen Materialanalysetechniken konnte das Team verstehen, warum Rückseitenfolien aus dem „schlechten“ Material sowohl auf chemischer als auch auf mechanischer Ebene versagten. Durch den Vergleich der Proben, die bei kombinierten Belastungstests ausgefallen sind, mit ausgefallenen Modulen aus der Praxis bestätigte das Team von Nachwuchsforschern, dass die Belastungstestausfälle mit dieser Art von Feldausfällen übereinstimmen. Jetzt untersucht das Team andere Arten von Modulmaterialien und -designs, einschließlich der Screening-Verfahren für die Entwicklung neuer Backsheet-Materialien und Studien von Modulen mit Glas-Backsheets.
„DuraMAT, so wie es strukturiert ist, bringt Nachwuchswissenschaftler auf einzigartige Weise hervor“, sagte Laura Schelhas, die als Nachwuchsforscherin am SLAC National Accelerator Laboratory am Team teilnahm und seitdem als geschäftsführende Direktorin zum NREL gewechselt ist für die zweite Phase von DuraMAT. „DuraMAT ermöglicht Nachwuchsforschern, sich als Hauptforscher an Projekten zu versuchen, und gibt ihnen einen Eindruck von Berichterstattung, Projektmanagement, Personalausstattung und Budgetierung, der wirklich für die Karriereentwicklung weniger erfahrener Forscher spricht. Das Backsheet-Projekt war ein großartiges Beispiel dafür, wie das funktioniert – wir haben viele hochgradig kollaborative Veröffentlichungen erhalten. Die Nachwuchsforscher wurden zu Konferenzen eingeladen, um ihre Arbeit vorzustellen, und einige sind in Mitarbeiterpositionen innerhalb des NREL und anderer Labors gewechselt.“
Was kommt als nächstes für DuraMAT?
Nach dem Start vor fünf Jahren hat die nächste, sechsjährige Phase von DuraMAT einen starken Start hingelegt. Viele Projekte wurden bereits von den 36 Millionen US-Dollar an Gesamtmitteln vergeben, die für die Arbeit des Konsortiums in der zweiten Phase zur Verfügung stehen.
„Ein Großteil unserer Forschung konzentriert sich weiterhin auf die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit im kommerziellen Technologieportfolio“, sagte Barnes, als er gefragt wurde, wohin sich DuraMAT entwickelt. „Wir verlagern unseren Schwerpunkt jetzt auf prädiktive Test- und Modellierungsmethoden, mit denen wir die Zuverlässigkeit neuer Technologien schneller und genauer beurteilen können. Solar muss sich weiter verbessern, und Produktentwicklungszyklen können viel schneller sein als Zuverlässigkeitstestzyklen. Wir müssen einen Weg finden, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit im gleichen Tempo wie die Produktentwicklung zu bewerten, während die Branche schnell wächst.“
Es ist ein anspruchsvolles Ziel, aber die DuraMAT-Gemeinschaft strebt nun an, mit der Vorhersage der Modullebensdauer zu beginnen und wie dies die Materiallieferkette für Solarmodule beeinflussen könnte. Angetrieben von der Physik des Versagens und der Physik der Degradationsmechanismen wird der Schwerpunkt stärker auf die prädiktive Lebensdauermodellierung gelegt, was weitere Forschung und eine mögliche Kommerzialisierung von Modulen mit einer Lebensdauer von 50 Jahren ermöglicht.
„Wir versuchen, in einen Zuverlässigkeitsforschungsmodus zu wechseln, in dem wir direkt auf Module abzielen, die 50 Jahre halten“, sagte Barnes. „Wir konzentrieren uns sehr auf Module mit hoher Energieausbeute und deren nachhaltige Herstellung. Wir wissen, dass es große Auswirkungen auf Material und Energie geben wird, wenn wir den Einsatz so schnell hochfahren, wie wir es für die Energiewende brauchen. Aber unsere Frage ist: ‚Wie können wir das auf eine Weise tun, die umweltverträglich ist und unsere Lieferkette mithalten kann?’“
„Wir streben in dieser Phase eine gleich hohe Forschungsqualität, aber eine größere Quantität an“, sagte Schelhas.
Weitere Informationen zu DuraMAT finden Sie unter www.duramat.de Webseite oder durchsuchen Sie ihre aktuellster Jahresbericht.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien. Von Kassidy Gamble
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