Photovoltaik

Solarenergie ist bereits heute die kostengünstigste Option für neue Kraftwerke in vielen Teilen der Welt. Die Herausforderung ist es die richtigen Technologien zu finden die es uns erlauben die Kosten der Solarenergie weiter zu senken und diese volatile Energiequelle effizient zu nutzen

– das bedeutet große Mengen von Überproduktion aufzunehmen wenn die Sonne scheint, aber Solarstrom auch dann zur Verfügung zu stellen wenn es dunkel ist! Der Bereich Erneuerbare Energien betreibt angewandte Energieforschung im Bereich der Photovoltaik um den Strukturwandel in unserem Energiesystem zu begleiten. Das Arbeitsspektrum konzentriert sich auf die Bereiche der kombinatorischen hoch automatisierten Materialforschung, eigene Konzepte und Herstellprozesse für Solarmodule auf Basis gedruckter Halbleiter (z. B. OPV), Methoden für die Charakterisierung und Optimierung von Solarmodulen und Anlagen, sowie Smart-Grid Technologien für die Integration von volatilem Strom in das Niederspannungsnetz. Ferner verfügt der Standort Erlangen über ein akkreditiertes Prüflabor für Photovoltaik-Module. Im einzigen unabhängigen, akkreditierten Prüflabor für Photovoltaik in Nordbayern können z. B. Gutachter, Versicherer, Anlagenbetreuer und Systemhäuser Solarmodule untersuchen und prüfen lassen.

F&E-SCHWERPUNKTE:

  • Kombinatorische Materialentwicklung
  • Anlagenentwicklung für die automatisierte Materialforschung und automatisierte Messmethoden
  • Big Data Methoden und automatisiertes Lernen
  • Gedruckte Photovoltaik
  • Upscaling und Modulentwicklung für flexible PV
  • Prozessentwicklung für Druck- und Laserprozessierung
  • Charakterisierungs- und Prüfmethoden PV-Module und –Anlagen
  • Applikationsentwicklung für die Systemintegration von Photovoltaik
  • Gebäudeintegrierte Photovoltaik
  • Degradation, Langzeittests und Fehleranalyse für PV-Module mit bildgebenden Defekterkennungsverfahren
  • aIR-PV – Drohnenbasierte Infrarotvermessung von PV-Anlagen
  • Prüflabor – Entwicklung von neuen Prüfstandards
  • Untersuchung von PV-Modulen, Speichern und Smart Grid Komponenten im Feldlabor und Niederspannungsnetz
  • Systemintegration von Erneuerbaren Energien in das Niederspannungsnetz
  • Charakterisierung, Modellierung und Systemintegration von Smart Grid Technologien

Forschungsgebiete

High Throughput Engineering

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Photovoltaik, Leuchtdioden, Batterien, thermoelektrische Generatoren – Für verschiedenste Energieanwendungen werden effektivere, stabilere, günstigere Materialien benötigt. Die Gruppe für Hochdurchsatzmaterialentwicklung (HTE, engl. High-Throughput Engineering) hat das Ziel die Forschung und Entwicklung an diesen Materialien zu beschleunigen. Dazu setzt sie auf Hochdurchsatzmethoden, um durch eine hohe Probenzahl und maschinelle Lernverfahren unterstützte Versuchsplanung große Parameterräume effektiv zu erforschen.

Ansprechpartner

Dr. Tobias Stubhan
+49 9131 9398 171
tobias.stubhan@zae-bayern.de

Solar Factory of the Future

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In der Solarfabrik der Zukunft werden Photovoltaik-Module der dritten Generation entwickelt, die sich sowohl durch Digitaldruck als auch durch eine Kombination von Beschichtungs- und Lasertechnologien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren herstellen lassen. Das Technikum der Solarfabrik der Zukunft auf dem Energiecampus Nürnberg bietet interessierten Partnern aus der Industrie eine Forschungsplattform für die Entwicklung „gedruckter“ PV-Technologien und deren Integration in Gebäude und (auto-)mobile Anwendungen.

Ansprechpartner

Dr. Hans-Joachim Egelhaaf
+49 911 56854 9350
hans-joachim.egelhaaf@zae-bayern.de

PV-Systeme

Foto PV-Systeme

Um PV zur tragenden Säule weiterzuentwickeln, ist es einerseits notwendig, PV-Anlagen in Ihrem realen Zustand zu charakterisieren, um realistische Einschätzungen zu Ihrer Ertragssituation zu ermöglichen. Hierzu entwickelt die Gruppe PV-Systeme Charakterisierungsverfahren, Analysemodelle sowie Anlagenansätze, um das Solarfeld der Zukunft zu gestalten. Andererseits müssen etablierte und neue PV-Technologien in neue Anwendungen integriert werden, um PV-Strom jederzeit und überall verfügbar zu machen. Hierzu entwickelt die Gruppe neuen Integrationsansätze und evaluiert mögliche Ansätze.

Ansprechpartner

Dr. rer. nat. Christian Camus
+49 9131 9398 152
christian.camus@zae-bayern.de

Smart Grids

Foto Smart-Grid

Smart Grids spielen eine wichtige Rolle bei der Integration Erneuerbarer Energien. Vor allem in den Verteilnetzen, wo der Großteil an Anlagen hinsichtlich Anzahl aber auch installierter Leistung angeschlossen ist, kann die effiziente Nutzung bestehender Infrastrukturen und gezielte Erweiterung mit neuen Technologien überdimensionierten Netzausbau vermeiden. Für die Untersuchung neuer Ansätze wurde im Projekt Smart Grid Solar der Grundstein gelegt. Neben einem Batterieteststand betreibt das ZAE am Standort Hof einen Quartierspeicher. In Arzberg wurde mit dem Testzentrum eine offene Reallabor-Plattform für zukünftige Smart Grid Technologien geschaffen.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Christoph Stegner
+49 9131 9398-401
christoph.stegner@zae-bayern.de

Projekte

AQUAM – Qualitätsmanagement System für PV-Anlagen

Ziel des Projektes ist ein Modell zur Leistungsprognose installierter Photovoltaik-Module bei Betriebsbedingungen, so dass keine Demontage und kein Transport der PV-Module für die Inspektion erforderlich sind. Im Fokus der Untersuchungen stehen Module mit nicht offensichtlichen Defekten und optisch auffälligen Phänomenen. Zudem ist es von Interesse, wie sich Defekte und die Leistungsperformance bei diversen Umweltbelastungen verhalten. Das PV-Modul wird gleichzeitig optischen, thermomechanischen und chemischen Wechselbelastungen ausgesetzt, aber auch außergewöhnlichen Ereignissen, wie z. B. Hagel. Diese Einflüsse haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Materialmix eines PV-Moduls. Mithilfe bildgebender Verfahren (Elektrolumineszenz u. Thermographie) sowie Simulationen wird das Alterungsverhalten installierter PV-Module untersucht und quantifiziert und eine Entscheidungsbasis für Modul- und Anlagenbewertungen gefunden.

Partner: IRCAM GmbH, Rauschert Solar GmbH

INOVEVA - optische Inline-Prüfsysteme für die Kunststoffkomponenten in PV-Modulen

Für heutige Photovoltaikmodule sind Lebensdauern von mehr als 25 Jahren vorgesehen. Ein Polymer, das die Zellen umschließen und über einen solchen Zeitraum schützen soll, muss seine Eigenschaften langfristig beibehalten. Das für solche Aufgaben meistverwendete Polymer ist Polyethylen-Vinylacetat (EVA). Dieses ist im Rohzustand ein Thermoplast und reagiert, mit Hilfe peroxydischer Vernetzungsreagenzien, während der Lamination zu einem Elastomer mit den benötigten Eigenschaften. Als Maß für den Erfolg der Vernetzungsreaktion dient der Vernetzungsgrad des EVA. Das bisherige Standardverfahren zur Messung dieses Vernetzungsgrades ist der Gel-Content-Test, eine zerstörende, nasschemische Methode, die in einer DIN-Norm festgelegt ist. Am ZAE Bayern wurde nun, im Rahmen des Projekts InoVEVA, eine neuartige Methode für die zerstörungsfreie, ortsaufgelöste Messung des Vernetzungsgrades von EVA entwickelt und getestet. Ansatz des Verfahrens ist die Nutzung von Ramanspektroskopie, die den Vorteil der zerstörungsfreien Messung durch das Frontglas des Moduls hindurch bietet und auch auf Glas-Glas Module anwendbar ist.

Inkjet gedruckte PV-Module

Die Solarfabrik der Zukunft ist eine Technologieplattform und gleichnamige Gruppe des ZAE Bayern. Sie entwickelt am Standort Nürnberg u. a. industrierelevante Produktionstechnologien für die Herstellung organischer Photovoltaik(OPV)-Module mittels Tintenstrahldruck. Dies bietet die Möglichkeit, sich schnell an individuelle Kundenwünsche anzupassen und so neue Märkte zu erschließen. Es können z. B. Form und Farbe der Module einfach per Mausklick variiert werden.
Dank dieser und weiterer Vorteile der OPV, wie z. B. der Möglichkeit, Module semitransparent zu gestalten, findet diese Technologie zunehmend Einzug in Anwendungsgebiete wie die gebäudeintegrierte Photovoltaik. Die Herstellung aller Schichten einer OPV-Zelle mittels Inkjet- bzw. Druckverfahren wurde erst kürzlich realisiert. Dabei zählte der Druck semitransparenter Elektroden zu den größten Herausforderungen.
Um Nachteile gängiger Methoden und Materialien zu umgehen, wurde in der Solarfabrik der Zukunft eine tintenstrahlgedruckte Silbernanodrahtelektrode (AgNW) als Alternative entwickelt. Die damit erzielte Effizienz von 4,3 % ist der weltweit höchste demonstrierte Wert für eine vollständig Inkjet-gedruckte organische Solarzelle.

OPTICIGS

Solarmodule leisten mittlerweile einen substantiellen Beitrag zu den Erneuerbaren Energien. Ein zentraler Baustein für diesen Erfolg sind die gesunkenen Kosten für die Modulherstellung. Aber je innovativer und komplexer die Zelltypen werden, desto wichtiger wird auch die Qualitätskontrolle. Insbesondere bildgebende Verfahren wie Infrarot-Thermographie ermöglichen eine schnelle Lokalisation von Defekten noch während der Herstellung, insbesondere bei Dünnschicht-Solarmodulen. Bisher erfolgte die Auswertung dieser Bilder noch visuell. Eine automatisierte Bilderkennung von IR-Aufnahmen wäre jedoch ein signifikanter Vorteil bei der schnellen und reproduzierbaren Analyse der großen Datenmengen, die bei bildgebenden Verfahren anfallen. Zur automatisierten Bildanalyse müssen sowohl Ausmaß und Lage des Moduls auf dem Bild, als auch die Defektstellen auf dem Infrarotbild, die sich durch lokale Erwärmungen (Hot Spots) äußern, erkannt werden. Am ZAE Bayern konnte ein Algorithmus entwickelt werden, der beide Problemstellungen erfolgreich löst.

FLAIR – modellfluggestützte Infrarotthermographie-Systeme für die Überprüfung von PV-Anlagen

Die Überprüfung installierter Photovoltaik (PV)-Anlagen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Im Fokus der Untersuchung stehen die technische Sicherheit, die ordnungsgemäße Funktion sowie der wirtschaftliche Ertrag. Da unterschiedliche Ursachen die Leistungsfähigkeit von PV-Modulen beeinträchtigen können, ist es von großem Interesse, bei der Wartung und Instandhaltung die Mängel und Schäden an installierten PV-Modulen zu finden sowie diese zu bewerten. Bildgebende Verfahren, wie beispielsweise die Infrarot (IR)-Thermografie, die am ZAE Bayern zur In-situ-Inspektion von PV-Anlagen entwickelt und optimiert werden, sind zum Auffinden von Fehlern prädestiniert, da elektrisch wirksame Fehlstellen direkt anhand der Temperaturverteilung erkennbar sind. In Verbindung mit Fluggeräten ist das Verfahren leicht automatisierbar und PV-Anlagen können effizient bei realen Bedingungen ohne Betriebsunterbrechung überprüft werden. Bisher werden IR-Aufnahmen meist qualitativ ausgewertet und zum Visualisieren von Fehlerstellen genutzt. Das Ziel aktueller Untersuchungen ist die quantifizierte Auswertung von IR-Aufnahmen in Hinblick auf Aussagen zur Leistung der abgebildeten PV-Module. Dafür wurde am Standort Erlangen ein Teststand aufgebaut, mit dem das Verhalten mehrerer PV-Module unter realen Betriebsbedingungen untersucht werden kann.

ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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