Innovativer Ansatz vorgestellt: Vorhersage der Lebensdauer von Solarmodulen bei Sanderosion

Am 24. Februar 2025 gab es spannende Neuigkeiten aus der Solarenergieforschung. Eine Forschergruppe in Algerien hat bedeutende Fortschritte bei der Untersuchung der Haltbarkeit von Solarmodulen in sandigen Umgebungen erzielt. Sie entwickelten eine brandneue Testumgebung und entwickelten ein einzigartiges Beschleunigungsgesetz, das zwei entscheidende Faktoren berücksichtigt: Windgeschwindigkeit und Sanddichte. Diese neuartige Methode wurde an vier Photovoltaikmodulen (PV) getestet. Die Ergebnisse waren bemerkenswert: Sie wiesen auf eine Lebensdauer von bis zu 47 Jahren unter Berücksichtigung des Sandeinflusses hin.

Diese Forschung umfasst mehrere wichtige Bereiche der Solarenergiebranche, darunter Fertigung, Modulqualitätsbewertung, Umgang mit Verschmutzungsproblemen sowie die gesamte technologische Forschung und Entwicklung. Sie ist ein bedeutender Beitrag, insbesondere für Regionen wie Algerien in Nordafrika, wo Wüstenlandschaften weit verbreitet sind und das Solarenergiepotenzial zwar enorm, aber durch Sanderosion beeinträchtigt ist.

Die algerischen Wissenschaftler schlugen einen innovativen Teststand für beschleunigte Alterung speziell für PV-Module vor und entwickelten ein völlig neuartiges Beschleunigungsgesetz, das auf sanderosionsbedingte Degradation zugeschnitten ist. Abdelkader Elkharraz, der korrespondierende Autor, erklärte gegenüber pv magazine: „Unsere Forschung hebt sich von bestehenden Modellen ab. Wir haben ein Gesetz eingeführt, das ausschließlich auf Sanderosion zugeschnitten ist. Durch die Berücksichtigung von Windgeschwindigkeit und Sanddichte können wir die Lebensdauer von Modulen in Wüstenumgebungen deutlich genauer vorhersagen.“

In Wüstenregionen ist Sanderosion eine der größten Bedrohungen für die Zuverlässigkeit von PV-Modulen. Das ständige Aufwirbeln von Sandpartikeln, angetrieben von starken Winden, verursacht sowohl mechanische als auch optische Schäden an der Moduloberfläche. Diese Schäden zeigen sich in verschiedenen Formen: Die Schutzglasschicht wird abgerieben, die Antireflexbeschichtung zerkratzt und Staub und Schmutz sammeln sich an. All diese Faktoren reduzieren die Lichtdurchlässigkeit und verringern letztendlich die Gesamtleistung der Module.

Der speziell angefertigte Teststand ist ein Meisterwerk der Ingenieurskunst. Er ermöglicht es den Forschern, die Parameter, die die Sanderosion beeinflussen, präzise zu steuern. Ein Sandzufuhrmechanismus ermöglicht die Anpassung der Sanddichte, ein drehzahlgeregelter Ventilator reguliert die Windgeschwindigkeit und eine Rotationsbühne sorgt dafür, dass die Module dem Sand aus allen Richtungen ausgesetzt sind. Um die Tests realistischer zu gestalten, wurde Sand aus Wüstengebieten verwendet. Dieser Sand hat größere, unregelmäßig geformte Körner, die die Erosion intensivieren.

Das Forschungsteam wählte vier monokristalline Silizium-PV-Module für den Test aus. Zwei davon waren brandneue 100-Watt-Module von Dinel Solaire, die anderen beiden waren bereits verwendete 80-Watt-Module von Visel. Unter Testbedingung 1 wurden die Module einer Sanddichte von 5,8 g/m³ und einer Windgeschwindigkeit von 12 m/s ausgesetzt. Testbedingung 2 war mit einer Sanddichte von 10,3 g/m³ und einer Windgeschwindigkeit von 15 m/s noch anspruchsvoller. Laut den Forschern simulierte Bedingung 1 eine „harte Beschleunigungsumgebung“, Bedingung 2 eine „noch härtere und beschleunigendere Umgebung“.

Das neue Beschleunigungsgesetz, benannt nach seinen Erfindern, Elkharraz-Boussaids Gesetz, berücksichtigt Windgeschwindigkeit und Sanddichte. Es berechnet die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF), die die durchschnittliche Betriebszeit eines Systems unter bestimmten Bedingungen angibt. In Kombination mit einem auf Fuzzy-Logik basierenden Datenanalyseprogramm kann das Modell den Beschleunigungsfaktor (AF) bestimmen. Der AF ist eine wichtige Kennzahl, da er das Verhältnis zwischen der Degradationsrate unter beschleunigten Testbedingungen und der in realen Szenarien quantifiziert.

Professor Elkharraz erklärte: „Wir haben die gesammelten Daten mit realen Winddaten eines Solarkraftwerks im algerischen Adrar korreliert. Dieser umfassende Datensatz wurde dann verwendet, um die tatsächliche Lebensdauer dieser Module unter typischen Wüstenbedingungen zu schätzen.“

Die Ergebnisse waren sehr aufschlussreich. In der algerischen Region Adrar prognostizierte ihr Modell in Verbindung mit dem auf Fuzzy-Logik basierenden Datenanalyseprogramm eine deutlich längere Lebensdauer von VISEL-Modulen von 46,8 Jahren im Vergleich zu DINEL-Modulen, deren Lebensdauer auf 31,6 Jahre geschätzt wurde. Die jährlichen Degradationsraten untermauerten diese Ergebnisse ebenfalls: VISEL-Module wiesen eine Rate von 0,64 % und DINEL-Module von 1,38 % auf. Diese Raten decken sich mit bestehenden Forschungsergebnissen und unterstreichen das Potenzial des Modells zur präzisen Vorhersage der Modullebensdauer in sandgefährdeten Gebieten.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Renewable Energy“ unter dem Titel „Ein neuartiges Beschleunigungsgesetz für die Sanderosionsdegradation von Photovoltaikmodulen“ veröffentlicht. Wissenschaftler der algerischen Ahmed Draia University of Adrar, der Medea University und des Renewable Energy Development Center (CDER) arbeiteten an dieser bahnbrechenden Forschung zusammen.