Solar- und Windenergie sind gefragt: Mehr als 24 000 Windräder und etwa eine halbe Million Photovoltaik-Anlagen sind allein in Deutschland installiert – Tendenz steigend. Damit die Anlagen auch zuverlässig und wirtschaftlich arbeiten, entwickeln Fraunhofer-Forscher neue Technologien zur Qualitätssicherung.

Inline-Mikrorissprüfung an Solarzellen
Die Sonne ist ein unerschöpflicher Energielieferant. Doch Strom aus der Sonne lässt sich nur dann zuverlässig und nachhaltig produzieren, wenn die Photovoltaikanlagen einwandfrei arbeiten und langlebig sind. Bei der Herstellung von Solarzellen können sich Risse im Silizium-Material bilden. Das beeinträchtigt die Funktion und Haltbarkeit der Zellen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart untersuchen Solarzellen mit Hilfe der Wärmefluss-Thermographie auf solche Defekte.

Der große Vorteil des Verfahrens: Das neue Prüfsystem lässt sich direkt in Fördermodule von Fertigungsanlagen integrieren. Die Oberfläche der Solarzellen wird dabei nur kurz lokal erwärmt. Eine Infrorot-Kamera nimmt auf wie sich die Wärme verteilt. Fehler wie etwa Risse beeinträchtigen die Ausbreitung. Die Daten werden automatisch ausgewertet. So lassen sich fehlerhafte Zellen leicht erkennen und aussortierten. Mit den neu entwickelten Verfahren können neben großen Defekten auch feine Risse mit einer Breite von bis zu 20 µm in der Siliziumschicht detektiert werden – und das bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 10 Metern pro Minute. »Die thermographischen Messungen verlängern nicht die Fertigungszeit«, betont Simina Fulga vom IPA.

Prozessintegrierte Messtechnik für die Photovoltaik
Besonders hohe Wirkungsgrade erreichen Konzentrator-Photovoltaik-Systeme. Sie bündeln das Sonnenlicht und fokussieren es mit Hilfe von Linsen auf winzig kleine Solarzellen. Das erhöht die Energieausbeute. Damit die Konzentrator-Zellen möglichst effektiv arbeiten, müssen die Fresnel-Linsen jedoch so positioniert werden, dass sie das gebündelte Licht ins Zentrum der nur wenige Quadratmillimeter kleinen Chips lenken. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM unterstützen hier die Firma Concentrix Solar, einen Hersteller von Konzentrator-Photovoltaik-Systemen, bei messtechnischen Aufgabenstellungen.

Mit Windkraft voraus
Sturm, Regen, Gewichts-, Flieh- und Trägheitskräfte – Rotorblätter sind die am stärksten beanspruchten Bauteile einer Windenergieanlage. Deshalb müssen die hauptsächlich aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GKF) hergestellten Rotorblätter höchsten Qualitätsansprüchen genügen. »Schon kleine Fehler und Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung können dazu führen, dass sich Lufteinschlüsse, Fehlverklebungen oder andere Defekte bilden«, erklärt Dr. Hiltrud Brocke vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI in Braunschweig. Solche Fehler im Material sind gefährlich. Sie können – wenn das Rotorblatt Belastungen ausgesetzt ist – zu mechanischen Spannungen führen, zum Aufreißen des Laminats und unter Umständen zum Bruch.

Mit der Infrarot-Thermographie machen Forscher des WKI Fehler in Rotorblättern sichtbar. Die Oberfläche wird kurz mit einem Infrarotstrahler erwärmt, anschließend kann man mit einer Spezialkamera verfolgen, wie sich die Wärmefront im Material ausbreitet. Stößt die Front beispielweise auf Lufteinschlüsse oder Delaminationen, wird sie gestaut, weil sich Wärme in Luft schlechter ausbreitet als in festem Laminat. So werden alle Einschlüsse sichtbar, die eine andere Wärmeleitfähigkeit haben als GFK: etwa Luft, Metall oder Wasser. Die Thermographie lässt sich nicht nur in der Fertigung, sondern auch bei der Wartung nutzen. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, verschiedene Prüfverfahren wie Thermographie, Ultraschall und hochauflösende Kameras zu kombinieren, um eine zuverlässige und ganzheitliche Analyse des Blattzustandes zu ermöglichen.

Das Thema »Qualitätssicherung bei Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien« ist ein Schwerpunkt der Fraunhofer-Allianz Vision auf der Messe Control. Auf dem Gemeinschaftstand in Halle 1, Stand 1502 präsentieren die Forscherinnen und Forscher weiterhin eine Auswahl neuer Bildverarbeitungs- und Vermessungssysteme für die Qualitätssicherung in der Produktion.