Sonderprüfstandsentwicklung für Golfballbelastungstests

© Foto Fraunhofer CSP

Abb. 1: Versuchsaufbau, Prinzipskizze

© Foto Fraunhofer CSP

Abb. 2: Elektrolumineszenzaufnahme eines kristallinen Solarmoduls vor (links) und nach (rechts) den Falltests. Die blauen Markierungen (rechts) kennzeichnen die Auftreffpunkte.

In einem Modulpark in der Nähe eines Golfplatzes wurden Photovoltaikmodule durch Golfballeinschläge beschädigt. Diese Module sollen durch beständigere Module ersetzt werden, welche diesen Belastungen problemlos standhalten. Aus diesem Grund wurde am Fraunhofer CSP ein Sonderprüfstand entwickelt, mit dessen Hilfe die Wirkung von Golfballeinschlägen (angenommene Aufprallgeschwindigkeiten typisch: 100 km/h, maximal: 300 km/h) beim Aufprall auf PV-Module experimentell abgeschätzt werden können. Ziel ist es, Aussagen zu erhalten, wie verschiedene Modultypen diesen Belastungen standhalten.

In Abb. 1 ist der für die Falltests verwendete Versuchsaufbau dargestellt. Mit Hilfe einer beweglichen Halterung kann ein Führungsrohr über jede Position des Solarmoduls verfahren werden. Das Führungsrohr dient der Führung des Fallkörpers der von verschiedenen Höhen auf den Probekörper fallen gelassen werden kann. Während des Fallens beschleunigt der Fallkörper und trifft schließlich beim Auftreffpunkt mit dem Impuls p auf den Probekörper auf. Durch Variation der Fallhöhe kann die Beschleunigungsstrecke und somit der Impuls des Fallkörpers variiert werden.

Der Fallkörper besteht aus einer Halbkugel aus Stahl, sowie einem zylindrischen Endstück, welches zum einen der Erhöhung der Masse dient und zum anderen die Führung im Führungsrohr ermöglicht. Der Radius der Halbkugel entspricht der eines handelsüblichen Golfballes, um dieselbe Hertzsche Pressung beim Aufprall zu gewährleisten. Stahl wurde aus zwei Gründen verwendet. Zum einen um durch die erhöhte Masse bereits bei einer weit geringeren Aufprallgeschwindigkeit denselben Impuls wie ein schnell geschlagener Golfball zu erhalten, zum anderen durch die im Vergleich zum Golfball erhöhte Härte. Golfbälle bestehen aus Kunststoffen, die zeitabhängiges Materialverhalten zeigen. Ein Golfball der mit einer hohen Geschwindigkeit auf ein Ziel auftrifft, weist eine höhere Steifigkeit auf als ein langsamer Golfball. Aus diesem Grunde wurde Stahl verwendet um sicher zu gehen, dass der Fallkörper beim Aufprall eine vergleichbare oder höhere Steifigkeit besitzt („Worst-Case-Szenario“). Eine Hochgeschwindigkeitskamera diente zur Ermittlung der Aufprallgeschwindigkeit des Fallkörpers.

Neben offensichtlichen Versagensszenarien wie dem Bruch des Frontglases, bei dünnen kaum vorgespannten Gläsern, kommt es bei ausreichend hohen Impulsen auch zum Zellbruch unter der unbeschädigten Glasscheibe. Dies zeigt sich zunächst nur in Elektrolumineszenzaufnahmen (Abb. 2) kann jedoch im weiteren Betrieb durch Temperaturwechsel- oder mechanische Belastungen zu einer signifikanten Verringerung des Modulertrages führen.