Photovoltaik: Mechanische Bearbeitung von Glas verstehen

Verschiedene Behandlungen verbessern die mechanischen Eigenschaften von Glas, ohne die optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, insbesondere hinsichtlich der statischen Belastung (in Pa) und der Hagelbeständigkeit (Norm IEC 61215, ergänzt durch IEC TS 63397:2022 und RG-Norm). Allerdings führen die von den Herstellern verwendeten Terminologien häufig zu Verwirrung über die tatsächlichen Leistungen der Solarmodule.


Bevor man sich mit den verschiedenen Terminologien und deren jeweiligen Leistungen beschäftigt, ist es wichtig zu verstehen, wie das Härten von Glas funktioniert:

 

Schritt 0: Vorbereitungen vor dem Härten
 

Nach dem Härten kann das Glas nicht mehr bearbeitet werden (ansonsten zerbricht es sofort). Daher müssen bestimmte Arbeiten vor dem Durchgang im Ofen durchgeführt werden:
 

• Bohren von Löchern (für Befestigungen, Halterungen oder Anschlussdosen)
• Maßgeschneiderte Zuschnitte
• Kanten schleifen und polieren
   

Diese Schritte sind entscheidend, da scharfe Kanten und Mikrorisse an den Enden zu Spannungs­konzentrationen führen und einen vorzeitigen Bruch verursachen können.
 

Wenn man an diesem Schritt stehen bleibt, erhält man geglühtes Glas, das durch langsames Abkühlen hergestellt wird und keine mechanische Verstärkung aufweist. Aufgrund seiner geringen Festigkeit kommt dieser Fall in der Photovoltaikindustrie nicht vor.
 

 Das Glas wird auf Keramikrollen gelegt, die es durch den Härteofen transportieren, und auf eine Temperatur zwischen 600 und 700 °C erhitzt, nahe seinem Erweichungspunkt.

Dieses Erhitzen muss gleichmäßig erfolgen, um Verzerrungen oder Schwächungen zu vermeiden, wobei besonders auf den Oberflächenzustand des Glases zu achten ist.
 

Nach dem Erhitzen wird das Glas sofort durch Hochdruckluftstrahlen aus mehreren Düsen schnell abgekühlt.

Die äußeren Oberflächen kühlen zuerst ab, während das Innere länger heiß bleibt.

Wenn das Innere schließlich abkühlt, zieht es sich zusammen (und das Kerninnere „zieht“ somit an der äußeren Schicht), wodurch Folgendes entsteht:
 

● Oberflächenpressungen (die das Glas verstärken).
● Zugspannungen im Inneren (die die Spannungen ausgleichen).

Diese Verteilung der Eigenspannungen verleiht dem gehärteten Glas seine hohe Festigkeit, ohne seine optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.
 

Das Härten beruht auf einer differenziellen Abkühlung: Die Oberfläche muss schneller abkühlen als der Kern. Bei dünnem Glas (≤ 2 mm) kühlt das Material jedoch gleichmäßig, wodurch keine ausreichenden inneren Spannungen für ein vollständiges Härten entstehen. Das Ergebnis: Das Härten schlägt fehl, und das Glas bleibt nur verstärkt (heat-strengthened oder halbgehärtet) statt vollständig gehärtet zu sein. Dünnes Glas ist zudem sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Bei plötzlicher Abkühlung kann es sich wellenartig verformen oder sogar im Ofen aufgrund thermischer Schocks zerbrechen.
 

Man unterscheidet verschiedene Glasarten je nach Grad der Wärmebehandlung. Die gängigsten Behandlungen sind unten aufgeführt, gefolgt von unterschiedlichen Terminologien/Übersetzungen, die Hersteller in den technischen Datenblättern verwenden können.

 

Diese Glasart wird durch ein mäßig schnelles Abkühlen hergestellt, wodurch eine Oberflächenspannung zwischen 24 und 60 MPa (gemäß GB/T 17841-2008) bzw. 24 bis 52 MPa (gemäß ASTM C1048-18) entsteht.

 

• Anwendbar auf unterschiedliche Glasstärken (1,6 bis 2,5 mm), wenn ein vollständiges Härten nicht möglich ist.
• Häufig bei Doppelglas (Bi-Glas) verwendet.
• Mechanische Festigkeit etwa doppelt so hoch wie bei geglühtem Glas, aber geringer als bei gehärtetem Glas.
• Bricht in kleinere Fragmente als geglühtes Glas, jedoch größere als gehärtetes Glas.
• Geringeres Risiko spontaner Brüche im Vergleich zu gehärtetem Glas.
   

Dieses Glas wird durch schnelles Abkühlen hergestellt, wodurch eine Oberflächenspannung von mindestens 90 MPa (GB 15763.2-2005) bzw. 69 MPa (ASTM C1048-18) entsteht.
 

• Üblicherweise bei Glasstärken ≥ 2,5 mm für Module mit Backsheet verwendet.
• Mindestens fünfmal widerstandsfähiger als geglühtes Glas.
• Bietet die beste mechanische Festigkeit für Solarmodule mit Einfachglas.
• Zerbricht in kleine, abgerundete Fragmente über das gesamte Modul.
• Kann durch Nickel-Sulfid-Einschlüsse (NiS) zu spontanen Brüchen neigen, da diese verzögerte Ausdehnung verursachen und das Glas zum Brechen bringen. Dieser Effekt bleibt jedoch vernachlässigbar dank optimaler Qualitätskontrolle und einer „Heat Soak“-Behandlung, die das Bruchrisiko reduziert.
   

Dieses Verfahren besteht darin, das Glas in ein Bad aus geschmolzenem Salz zu tauchen, sodass die Natriumionen an der Oberfläche gegen größere, chemisch ähnliche Kaliumionen ausgetauscht werden, wodurch eine Druckspannung entsteht, die das Glas verstärkt.
 

• Mechanische Leistung ähnlich wie bei thermisch gehärtetem Glas, jedoch anwendbar auf dünne Glasstärken (< 2 mm).
• Wird in einigen spezifischen Anwendungen genutzt, aber in der Photovoltaik bisher nicht eingesetzt, da teurer als thermisches Härten.
• Könnte mit dem Wachstum der Solarindustrie wirtschaftlich interessant werden und dünne Glasplatten verstärken. Außerdem laufen Studien zum möglichen Nutzen der chemischen Härtung im Hinblick auf das PID-Phänomen.
   

Das Fehlen einer strikten Standardisierung bei den Bezeichnungen der Glasbehandlungen erschwert die Bewertung der tatsächlichen Festigkeit von Photovoltaikmodulen. Diese Variabilität, verbunden mit einem teilweise eingeschränkten Verständnis der Auswirkungen der Wärmebehandlung, kann zu ungeeigneten Entscheidungen führen.

Mit der Zunahme von Hagelereignissen ist es entscheidend, präzise technische Daten zur mechanischen Festigkeit des verwendeten Glases einzufordern. Sich ausschließlich auf die vom Hersteller verwendeten Bezeichnungen zu verlassen – die manchmal irreführend sein können, z. B. „Verre solaire trempé“ für tatsächlich halbgehärtetes Glas – kann Risiken für die Langlebigkeit der Anlagen bergen.

Bei Synapsun verfolgen wir diese Aspekte genau und geben klar an, welche Behandlungen auf das Glas entsprechend seiner Dicke angewendet wurden. So können Sie die am besten geeignete Konfiguration für Ihre Anforderungen wählen. Die von uns angebotenen Produkte finden Sie auf unserem Portal, indem Sie im technischen Datenfeld „Glasart“ auswählen.