Finite Elemente Simulation

© Fraunhofer CSP

FEM-Aufnahme der Windgeschwindigkeitsverteilung um ein frontal angeströmtes Solarmodul. Die Pfeile geben die Richtung der Luftströmung an.

Im Rahmen unseres Methodenportfolios kommt die Finite-Elemente-Methode in der Photovoltaik vor allem auf dem Gebiet der Strukturmechanik zur Ermittlung der Deformationen und Spannungen in den Modulkomponenten unter mechanischer Belastung (Wind, Schnee) zum Einsatz. Weitere Anwendungsgebiete sind die Thermodynamik (Berechnung von Temperaturverteilung und Wärmetransport), die Strömungssimulation (Druckverteilung, Wärmeübergangsberechnung) sowie auch die elektrische Simulation (Ströme und elektrische Felder). Die verschiedenen physikalischen Aufgabenstellungen können dabei auch kombiniert betrachtet werden.

Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation werden u. a. zur Bewertung der Zuverlässigkeit und Ermüdungsfestigkeit von Modulkomponenten eingesetzt. Des Weiteren können Sie zur Optimierung von Prozessschritten in Produktionsprozessen, wie z. B. Löten oder Laminieren, eingesetzt werden. Ergebnisse liefern letztlich vielfältige Interpretationen z. B. für Robustheitsbewertungen oder die Definition von Qualitätskriterien.

Leistungen

  • Materialmodellerstellung und Kennwertbestimmung (u. a. Viskoelastizität, elastisch-plastisch)
  • Strukturmechaniksimulation an Komponenten und vollständigen Solarmodulen sowie der Systemtechnik
  • Temperaturfeldsimulation von Herstellungsprozessen und Betriebszuständen
  • Thermomechanische Simulation von PV-Komponenten, Modulen und Systemen
  • Strömungssimulationen von Solarmodulen und Systemen
  • Simulation multiphysikalischer Aufgabenstellungen
  • Durchführung von Optimierung, Robustheits- und Sensitivitätsstudien
  • Zuverlässigkeitsbewertung von
    • PV-Komponenten (Verbinder, Solarzelle, Glas, Verkapselungsmaterial)
    • Modulen und Systemen (Halterungen, Unterkonstruktionen)

Beispiele

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Simulationsmodell des Infrarot- Lötprozesses (links) und resultierende Temperaturverteilung im Wafer während des Lötprozesses (rechts).

Thermomechanische Simulation von PV-Komponenten und -Modulen

Thermomechanische Beanspruchungen treten in PV-Modulen stets dann auf, wenn sich die Temperatur ändert, da die einzelnen Komponenten unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen. In der Modulfertigung sorgen vor allem der Lötprozess und die Lamination für Beanspruchungen der Solarzellen. Im Betrieb entstehen Temperaturwechsel durch Tag- und Nachtwechsel sowie Jahreszeiten. Eine überhöhte Nachbildung dieser Belastungen ist der Thermocycle-Test.
Um die Beanspruchungen der Komponenten während der Prozesse zu bewerten, arbeiten wir mit Finite-Elemente Simulationsmodellen.
Es können die aufgrund unterschiedlicher Lotwerkstoffe und Materialeigenschaften entstehenden mechanischen Spannungen beim Verlöten der Zellen verglichen und die daraus resultierenden Optimierungspotentiale abgeleitet werden.
Die Simulation der Zellverschiebung in einem Modul unter Temperaturwechseln ist ein wichtiges Hilfsmittel zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit der Zellverbinder. Auf Basis der Ergebnisse lassen sich die Zyklen bis zum Versagen abschätzen. Unter anderem untersuchen wir den Einfluss des Verkapselungsmaterials und der Rückseitenfolie auf diese Zyklen bis zum Versagen. Die Berechnung der Spannungen in den Zellen nach dem Löten und Laminieren lässt sich in weiteren Schritten mit Ergebnissen der mechanischen Simulation überlagern, um das Bruchverhalten der Zellen exakter zu bewerten.

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Verteilung der 1. Hauptspannung in den Zellen bei frontaler Anströmung und 30° (links), 60° (Mitte) und 90° (rechts) Modulneigung (geringe Spannung = blau … hohe Spannung = rot).

Fluiddynamiksimulation von Solarmodulen

Mit Hilfe von Strömungssimulationen (CFD) simulieren wir die Winddruckverteilung an einem Modul und die zugehörige Spannungsverteilung im Glas und in den Zellen unter realen Bedingungen. Weiterhin lassen sich die lokalen Wärmeübergangsbedingungen und die daraus resultierende Temperaturverteilung im Modul berechnen.

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Simulation zur plastischen Dehnung von Halterungsvarianten für PV-Module.

Zuverlässigkeitsbewertung

Mit mechanischen Simulationen können Lagerungsvarianten einzeln optimiert, untereinander verglichen und die optimale Variante ermittelt werden. Alternativ lassen sich auch für eine definierte Lagerung die Mindestanforderungen für die Festigkeitsparameter für die Qualitätskontrolle bestimmen.