Präventive Instandhaltung für Photovoltaik-Anlagen
Vermehrt auftretende Extremwetterereignisse wie Sturm und Hagel bergen die Gefahr, dass die Module von Photovoltaik-Anlagen beschädigt werden. Wie belastbar Solarmodule sind, hängt jeweils von ihrer Qualität und Dicke ab. Mit der Dicke des Materials steigt die Druckfestigkeit von Glas, so dass es in Bereichen einer extremen Belastung eingesetzt werden kann.Die Festigkeit von Glas wird allerdings nicht nur durch den chemischen Aufbau und die molekulare Struktur bestimmt. Auch kleine Glasdefekte wie Risse oder herstellungsbedingte innere Spannungen mindern die Bruchfestigkeit.
In den USA verzeichnet das Renewable Energy Test Center (RETC), das die Zuverlässigkeit und das Systemverhalten von Solarmodulen prüft, vermehrte Ausfälle von PV-Anlagen durch spontanen Glasbruch. In der Vergangenheit stellten Glassschäden bei Solarmodulen die Ausnahme dar. Sie traten höchstens bei Dünnschichtmodulen auf, die aus dünnerem Glas bestehen. Bei monokristallinen und polykristallinen Silikon-Modulen waren die Schäden in der Regel auf ein unsachgemäße Wartung oder Sturmeinwirkung zurückzuführen.
Inzwischen erhält das kalifornische Testzentrum für Erneuerbare Energien regelmäßig Berichte über Glasbruch in Solarmodulen. Ein Grund dafür ist nach Einschätzung der Experten, dass Solarglas heutzutage dünner und somit nicht vollständig gehärtet ist. Für die Hersteller ist es bei Glas mit einer Dicke von 3 mm oder mehr relativ einfach, das benötigte Spannungsprofil zu erzeugen. Als schwieriger erweist es sich hingegen, Glas unter einer Dicke von 3 mm vollständig zu härten. Glas bricht, sofern seine Zugfestigkeit durch eine Belastung überschritten wird.
Um die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen bei Belastungen zu beziffern, werden in der Werkstoffkunde Kräfte auf Flächeneinheiten bezogen. Die physikalische Einheit ist dieselbe wie für Druck und wird in Pascal (Pa) bzw. Megapascal (Mpa) gemessen. Generell wird zwischen voll vorgespanntem und hitzegehärtetem Glas unterschieden. Während für vorgespanntes Glas eine Mindestoberflächenspannung von 69 Mpa definiert ist, liegt die Oberflächendruckfestigkeit von wärmegehärtetem Glas zwischen 24 bis 52 Mpa.
Aber auch ohne äußere Krafteinwirkung können durch Temperaturänderungen mechanische Spannungen im Glas erzeugt werden. Die Wissenschaftler*innen am National Renewable Energy Laboratory (NREL) gehen davon aus, dass Glasschäden in PV-Modulen durch Mikrodefekte oder Schäden an der Glaskante entstehen können, welche die Zugfestigkeit drastisch reduzieren. Dabei kann es zwischen der Ursache und dem Bruch eine Zeitverzögerung geben.
Wenn eine Glasscheibe eine kleine Beschädigung aufweist, können zum späteren Zeitpunkt durch Klimaeinflüsse Wölbungen entstehen. Warmes Wetter und ein niedriger Luftdruck führen dazu, dass sich das im Scheibenzwischenraum befindliche Volumen ausdehnt. Da Glas elastisch ist, gibt die Scheibe dem Innendruck nach. Bei kalten Temperaturen und hohem Luftdruck erfolgt hingegen ein Durchbiegung nach innen.
Die Expert*innen des Erneuerbare-Energien-Forschungsinstituts sehen eine Parallelität zur Frontscheibe im Auto, auf der bei einem Aufprallschaden zunächst nur ein kleiner sternförmiger Fleck sichtbar ist. Wenn extreme Wetterbedingungen sehr hohe oder niedrige Temperaturen verursachen, bildet sich ein großer Riss auf der gesamten Oberfläche. Durch die Durchbiegung einer Scheibe entsteht eine Kombination aus Zug- und Druckbelastungen. Wird die Zugfestigkeit durch Belastung überschritten, bricht das Glas.
In Deutschland werden PV-Module am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mechanischen Belastungsprüfungen unterzogen. Entsprechend dem Standard IEC 61215 werden die PV-Module mit drei Druck- und Zugbelastungszyklen von jeweils ± 2400 Pa getestet. Um im Labor klimatische Bedingungen mit höheren Schneelasten zu simulieren, erfolgt die letzte Druckbelastung mit 5400 Pa. Für Gegenden mit einer hohen Wahrscheinlichkeit für extreme Hagelereignisse wird empfohlen, eine erweiterte Hagelprüfung für PV-Module vorzunehmen. Üblicherweise werden Module mit Hagelkörnern von 25 mm Durchmesser beschossen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE bietet Hageltests mit einer Hagelkorngröße bis zu einem Durchmesser von 45 mm an.
Zur präventiven Instandhaltung für Photovoltaik-Anlagen ist es möglich, eine thermographische Inspektion vorzunehmen. Die Photovoltaik-Thermografie mit Drohnen erlaubt es, mit Hilfe einer Wärmebildkamera optische Defekte wie Glasbruch oder Zellschäden aufzuspüren und außergewöhnliche Hitzeentwicklungen in Solarmodulen aufzudecken. Bei älteren Bestands-Anlagen hilft die Inspektion per Drohne, defekte Module zu erkennen, um sie austauschen zu können, damit nicht das Ertragspotenzial der PV-Anlage gemindert wird.
