EMV-Messung von PV

Matthias Heinemann, Stephen Mocker
Hochschule Albstadt-Sigmaringen Studiengang Wirtschaftsingenieurswesen
EMV-Messung von PV-Modulen
Photovoltaik gilt als zukunftsweisende
und
umweltfreundliche
Art
der
Energiegewinnung. Im Jahr 2010 fand
mit einem Zubau von rund 8 Gigawatt
das
bisher
größte
Wachstum
in
Deutschland statt [1]. Fast die Hälfte der
neu errichteten Anlagen ist auf Dächern
von Wohngebäuden zu finden [2]. Es
sollte somit sichergestellt werden, dass
beim Betrieb von Photovoltaikanlagen
keine
elektromagnetische
Strahlung
abgegeben wird, die sich negativ auf die Gesundheit der Menschen auswirken könnte.
Im Rahmen dieser Projektarbeit soll die elektromagnetische Verträglichkeit von verschiedenen PVModulen untersucht werden. Ziel ist es anhand der Ergebnisse eine Antwort auf die Frage geben zu
können, inwieweit PV-Module zum heutzutage allgegenwärtigen Elektrosmog beitragen. Darüber
hinaus soll festgestellt werden, ob sich die Emission von elektromagnetischen Strahlen durch
Abschirmungsmaßnahmen in Form einer Folie aus Aluminium an der Modulrückseite und Erdung der
Modulrahmen reduzieren lässt.
Die Untersuchungen an den PV-Modulen erfolgt völlig unabhängig voneinander sowohl im
Niederfrequenzbereich von 10 Hz – 32000 Hz als auch im Hochfrequenzbereich von 9 kHz – 3000
kHz. Im niederfrequenten Bereich erfolgt die Messung des elektrischen Feldes (E-Feld) und der
magnetischen Flussdichte (B-Feld) mit dem Feldstärkemessgerät EFA-300 von Narda Safty Test
Solutions. Im hochfrequenten Bereich wird die elektrische Feldstärke (E-Feld) und die magnetische
Feldstärke (H-Feld) mit dem Feldstärkemessgerät SRM-3006 ebenfalls von der Firma Narda ermittelt.
Beim EFA-300 sind sowohl E-Feld- als auch B-Feldsonde isotrop aufgebaut. Hierbei wird die
Feldstärke in alle drei Raumrichtungen gemessen und die resultierende Feldstärke ermittelt was eine
richtungsunabhängige Messung ermöglicht. Die Messsonden des SRM-3006 hingegen sind einachsig
aufgebaut. Die Messung der Feldstärke erfolgt nur in eine gezielte Richtung. Vor der eigentlichen
Messung muss somit zuerst die Richtung mit der höchsten Feldstärke ermittelt werden um ein
repräsentatives Ergebnis zu erhalten. Anschließen wird die Messsonde in dieser Ausrichtung vor dem
Modul positioniert.
Zur Durchführung der Messungen wurde eigens eine freie Aufständerung für die Module aus Holz
erstellt um die Messergebnisse nicht durch Einflüsse metallischer Halterungen zu verfälschen. Als
Wechselrichter wurde ein StecaGrid 300 verwendet. Hierbei handelt es sich um einen trafolosen
Stringwechselrichter, an den nur wenige PV-Module in Reihe angeschlossen werden. Um die
erforderliche Mindestspannung von 45 V zu erreichen wurden jeweils zwei identische Module in Reihe
geschaltet.
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Bereits im Vorfeld der Messungen kann gesagt werden, dass PV-Module von sich aus nicht in der
Lage
sind
elektromagnetische
Strahlen
von
sich
zu
geben.
Ausschlaggebend
für
die
elektromagnetische Abstrahlung von PV-Modulen ist der an den PV-Generator angeschlossenen
Wechselrichter. Ein PV-Generator bestehend ausmehreren Modulen und der ausgedehnten
Gleichstromverkabelung stellt ein strahlungsfähiges Gebilde ähnlich einer Antenne dar. Die vom
Wechselrichter ausgehenden leitungsgebundenen nieder- und hochfrequenten Störsignale werden auf
den PV-Generator übertragen und von diesem als elektromagnetische Strahlung emittiert. Grund für
das häufige Auftreten von Störsignalen an Wechselrichter sind zum einen die schnellen
Schaltvorgänge der Leistungselektronik zur Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstroms und die
50Hz-Frequenz des öffentlichen Stromnetzes selbst. Somit kann davon ausgegangen werden, dass
es sich bei den Störsignalen überwiegen um die Schaltfrequenz des Wechselrichters und die
Netzfrequenz
sowie
deren
Oberschwingungen
handelt.
Die
Störaussendung
seitens
des
Wechselrichters erfolgt jedoch nicht nur leistungsgebunden sondern auch in Form von Strahlung [3].
Da Wechselrichter oft in den Gebäuden installiert sind kann sich dies in Extremfällen durch Störungen
im Rundfunk- oder Fernsehempfang bemerkbar machen.
Messergebnisse
Im Folgenden sollen zunächst die elektrische und magnetische Abstrahlung von PV-Modulen mit
Alufolie an der Modulrückseite im Vergleich zu Modulen ohne Alufolie miteinander verglichen werden.
Anschließend soll untersucht werden welche Auswirkungen eine Erdung der Modulrahmen und der
Alufolie auf das Abstrahlverhalten haben. Hoch- und Niederfrequenzbereich werden dabei getrennt
voneinander betrachtet.
Hochfrequenzbereich
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Abbildung 1: E-Feld Spektrum 9 - 3000 kHz
In Abbildung 1 sind die Spektren von 9 kHz – 3000 kHz der gemessenen elektrischen Felder an der
Rückseite der Module aufgeführt. Rot = Modul mit Alufolie an der Rückseite, Grün = Modul ohne
Alufolie. Im Vergleich dazu ist das Ruhespektrum (graugestrichelt) und das elektrische Feld
unmittelbar am Wechselrichter (orange) dargestellt. Die momentan gemessenen Leistungen während
der Messungen liegen beim Modul mit Alufolie bei 305 Watt, beim Modul ohne Alufolie bei 280 Watt.
Es lässt sich erkennen. dass sich die Spitzenwerde der beiden Module nur unwesentlich
unterscheiden. Die maximale el. Feldstärke am Modul MC60-I mit Alufolie beträgt 0,2365 V/m bei
117,89 kHz. Die maximale el. Feldstärke am Modul ohne Alufolie beträgt 0,191 V/m bei 109,59 kHz.
Insgesamt betrachtet liegen jedoch die Werte des Moduls ohne Alufolie über denen des Moduls ohne
Alufolie. Der Vergleich beider Spektren mit dem Spektrum des Wechselrichters bestätigt, dass das
Ursprung der elektrischen Felder vom Wechselrichter ausgeht und es sich bei den Spitzen vermutlich
um die Harmonischen der Schaltfrequenzhandelt .
Die Abstrahlung elektrischer Strahlung im hochfrequenten Bereich (9 kHz – 3000 kHz) ist an
PV-Modulen mit Alufolie durchaus geringer als an PV-Modulen ohne Alufolie.
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Abbildung 2: H-Feld Spektrum 9 - 3000 kHz
Betrachtet man die Spektren der magnetischen Felder in Abbildung 2, so liegen zwar beide Spektren
(mit Alufolie = rot, ohne Alufolie = grün) näher am Ruhespektrum (graugestrichelt) als beim
elektrischen Feld, jedoch unterscheiden sich die jeweiligen Maximalwerte deutlich er voneinander. Der
gemessene Maximalwert am Modul mit Alufolie (rot) beträgt 0,0018 A/m bei einer Frequenz von 39,27
kHz, der Maximalwert am Modul ohne Alufolie mit 0,0094 A/m bei 36,83 kHz wesentlich mehr. Dabei
liegt die momentane Leistung während der Messung bei m Modul mit Alufolie mit 306 Watt über der
Leistung des Moduls ohne Alufolie von 280 Watt.
Die Abstrahlung magnetischer Strahlung im hochfrequenten Bereich (9 – 3000 kHz) ist an PVModulen mit Alufolie deutlich geringer (Faktor 5) als an PV-Modulen ohne Alufolie.
Die Untersuchung der Auswirkungen von Erdung und Modulrahmen auf das Abstrahlverhalten ergab
beim Modul mit Alufolie dass sich das elektrische Feld durch Erdung des Modulrahmens deutlich um
bis zu 23 dB reduzieren lässt. Eine zusätzliche Erdung der Alufolie verschlechtert das
Abstrahlverhalten jedoch wieder. Beim magnetischen Feld sind hingegen keinerlei Auswirkungen
durch die Erdung von Modulrahmen und/oder Alufolie festzustellen.
Beim Modul ohne Alufolie lässt sich durch Erden des Modulrahmens ebenfalls eine Reduzierung des
elektrischen Feldes erreichen, jedoch in geringerem Maße als beim Modul mit Alufolie (6,4 dB). Auch
hier ist beim magnetischen Feld keine positive Veränderung nach der Erdung festzustellen. An der
Modulvorderseite nimmt das magnetische Feld um 1,12 dB zu.
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Durch das Erden der Modulrahmen lässt sich das elektrische Feld im hochfrequenten Bereich
(9 -3000 kHz) sowohl an Modulen mit Alufolie als auch an Modulen ohne Alufolie deutlich
reduzieren. Auf das magnetische Feld hat die Erdung so gut wie keine Auswirkungen.
Niederfrequenzbereich
Abbildung 3: E-Feld Spektrum 10 - 32000 Hz
In der Abbildung 3 sind die Spektren im Bereich von 10 Hz – 32000 Hz des gemessenen E-Felds an
der Rückseite der Module aufgeführt. In dem Diagramm sind die Messungen der Module (mit Alufolie
= rot, ohne Alufolie = grün) erkennbar sowie das Ruhespektrum (graugestrichelt) und die gemessene
Werte am Wechselrichter (orange). Die maximalen elektrischen Feldstärken liegen bei dem Modul mit
Alufolie bei 50 Hz mit 90,9 V/m und bei dem Modul ohne Alufolie bei 50 Hz mit 96,045 V/m an. Die
momentane gemessene Leistung an dem Modul mit Alufolie lag bei 300 Watt und bei der Messung
des Modul ohne Alufolie lag bei 285 Watt.
Bei der Messung des elektrischen Felds im niederfrequenten Bereich (10 Hz – 32000 Hz)
konnten keine markanten Unterschiede unter den verschiedenen Modultypen erkannt werden.
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Abbildung 4: B-Feld Spektrum 10 - 32000 Hz
Auch in der Abbildung 4 sind die Kennzeichnungen der Module (mit Alufolie = rot, ohne Alufolie =
grün) erkennbar sowie das
Ruhespektrum (graugestrichelt) und die gemessene Werte am
Wechselrichter (orange). Die Messungen des B-Felds wurden an der Rückseite im Bereich von 10 Hz32000 Hz aufgenommen. Hierbei sind die magnetischen Maximalwerte bei dem Modul mit Alufolie bei
10 Hz von 0,083544 µT und bei dem Modul ohne Alufolie bei 10 Hz von 0,076788 µT gemessen
worden. Die momentanen Leistungen des Moduls mit Alufolie lag bei 305 Watt und bei dem Modul
ohne Alufolie lag bei 285 Watt.
Auch bei den Messungen des B-Felds im niederfrequenten Bereich (10 Hz – 32000 Hz) war
ebenfalls nur geringe Abweichungen zu den verschiedene Modulen erkennbar.
Bei den Untersuchungen der verschiedenen Erdungsvarianten, war bei der Erdung des Moduls mit der
Alufolie eine Reduzierung aufgefallen. Bei der Messung des E-Felds auf der Rückseite des Moduls
konnte die maximale elektrische Strahlung von 90,9 V/m ohne Erdung gemessen werden. Bei der
Erdung der Alufolie verringerte sich die Strahlung um 64,7 V/m das entspricht 10,9 dB. Dieser Effekt
konnte auf der Vorderseite nicht erkannt worden. Was auch bei der Messung des B-Feldes nicht
auffällig war. Allgemein waren keine Auffälligkeiten im Bereich der Messung des B-Felds zu erkennen
sowie keine eindeutigen Veränderungen der Erdungen aufgefallen sind.
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Durch das Erden der Alufolie konnte eine Reduktion der elektrischen Abstrahlung im
niederfrequenten Bereich (10 Hz – 32000 Hz) deutlich erkannt werden. Die Reduktion wirkte
sich aus von 90,9 V/m auf 26,2 V/m, das entspricht einer Reduktion von 64,7 V/m.
Es stellt sich die Frage ob und wie gefährlich die gemessenen Feldstärkewerte für den Menschen sind
und in welcher Relation die elektromagnetische Strahlung von PV-Komponenten zu derer anderer
Elektrogeräte zu sehen ist.
Die
in
Deutschland
gültigen
Grenzwerte
werden
durch
die
26.
Verordnung
zum
Bundesimmissionsschutzgesetzt (26.BIMSchV) vorgeschrieben und beinhalten im Wesentlichen die
Richtwerte für die zulässige Dauerexposition der Bevölkerung des Komitees für nichtionisierende
Strahlung der der Internationalen Strahlenschutzvereinigung (ICNIRP). Diese Richtwerte wurden unter
Einbeziehung von Sicherheitszuschlägen anhand von unmittelbaren nachweisbaren Auswirkungen
auf den menschlichen Körper in Form von Reizungen von Sinnesorganen, Nerven- und Muskelzellen,
Beeinflussung der Herzaktion und Wärmewirkungen erhoben. Baubiologen hingegen, richten sich
nicht nur nach eindeutig nachweisbaren Auswirkungen sondern auch nach reinen Vermutungen über
negative gesundheitliche Einflüsse elektromagnetischer Strahlung wie bspw. Schlafstörungen,
Müdigkeit, Depressionen, Immunschwäche oder erhöhte Zellteilungsrate. Es ist somit nicht
verwunderlich, dass die geforderten Grenzwerte von Baubiologen um den Faktor 500 bis 1000
niedriger sind als die Grenzwerte der 26. Bundesimmissionsschutzverordnung. Die Grenzwerte sind
nicht konstant sondern von der jeweiligen Frequenz abhängig [4].
Tabelle beinhaltet die
Referenzwerte bzw. die Formeln zu deren frequenzspezifischen Ermittlung für die Exposition der
Bevölkerung durch zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder der ICNIRP.
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Tabelle 1: Referenzwerte für die Exposition der Bevölkerung durch zeitlich veränderliche elektrische und magnetische
Felder [5]
Im Vergleich zu den ermittelten Maximalwerten an den PV-Modulen von 0,2365 V/m bei 117,89 kHz
beim elektrischen Feld und 0,0094 A/m bei 36,83 kHz beim magnetischen Feld kann festgestellt
werden, dass die Grenzwerte bei diesen Frequenzen um Größenordnungen höherliegen.
gemessener max. Wert
E-Feld (9 – 3000 kHz)
H-Feld (9 – 3000 kHz)
E-Feld (10 – 32000 Hz)
B-Feld (10 – 32000 Hz)
0,2365 V/m
0,0094 A/m
90,9 V/m
0,083544 µT
Grenzwert nach
ICNIRP
87 V/m
5 A/m
5000 V/m
500 µT
baubiologischer
Reichtwert
10 V/m
0,2 µT
Tabelle 2: gemessene Maximalwerte in Bezug auf geltende Grenzwerte und baubiologische Richtwerte
Der Vergleich zu einem herkömmlichen Schaltnetzteil eines Notebooks in Abbildung 5 und Abbildung
6 zeigt, dass sich das elektrische und magnetische Feld im Bereich von 9 – 3000 kHz an
Komponenten von Photovoltaikanlagen im Wesentlichen nicht von den Feldern an anderen
elektronischen Haushaltsgeräten unterscheiden. Im gezeigten Beispiel liegen die Feldstärkewerte des
Schaltnetzteils wesentlich über denen am PV-Modul und am Wechselrichter. Zudem ist zu erwähnen,
dass PV-Anlagen nur bei Lichteinstrahlung während des Tages in Betrieb sind und nachts
netzfreigeschaltet sind. Außerdem befinden sich PV-Generator und Wechselrichter i.d.R. fernab von
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Wohn- und Schlafräumen. Viele Netzteile hingegen werden rund um die Uhr betrieben und befinden
sich oft in unmittelbarer Nähe zu Menschen.
Abbildung 5: Vergleich E-Feld 9 - 3000 kHz Schaltnetzteil mit PV-Komponenten
Abbildung 6: Vergleich H-Feld 9 - 3000 kHz Schaltnetzteil mit PV-Komponenten
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Auch der Vergleich mit einer Hochspannungsleitung 220 kV zu dem Wechselrichter und der Rückseite
des PV-Moduls wurde
angestrebt.
Es
wurde
mit
einem
Abstand von 15m
unter der
Hochspannungsleitung im Niederfrequenzbereich (10 Hz – 32000 Hz) gemessen. Zu erkennen in
Abbildung 7 ist, dass die Werte der elektrischen Abstrahlung der Hochspannungsleitung bis 1 kHz
unter den Werten der Komponenten einer Photovoltaikanlage liegen. Danach pendeln sich die Werte
auf ein vergleichbares Level ein.
Abbildung 7: Vergleich E-Feld 10 - 32000 Hz Hochspannungsleitung mit PV-Komponenten
Das B-Feld weißt wiederum andere Auffälligkeiten auf. Die Werte gemessen am Wechselrichter
nähern sich nicht an die Werte der Hochspannungsleitung und des PV-Moduls an. Im Magnetischen
Bereich der Messung ist zu erkennen, dass die Werte der Hochspannungsleitung bis zu einer
Frequenz von 1 kHz über den Werten des PV-Moduls liegen. Erst bei der Frequenz von 1 kHz
pendeln sich auch diese Werte wieder auf ein vergleichbares Level ein. Was in der Abbildung 8
Erkennbar ist.
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Abbildung 8: Vergleich B-Feld 10 - 32000 Hz Hochspannungsleitung mit PV-Komponenten
Um die Emission von elektromagnetischer Strahlung an Komponenten von PV-Anlagen dennoch zu
reduzieren gibt es neben der Erdung der Modulrahmen weitere Möglichkeiten:
-
Verwendung von Wechselrichtern mit einem metallischen
Gehäuse [6]
-
Verwendung von Wechselrichtern mit Transformator, bei
denen Gleichstromseite und Wechselstromseite galvanisch getrennt sind [7]
-
Erdung des Minuspols auf der Gleichstromseite [4]
-
Einsatz von Wechselrichtern mit Netzfilter auf Gleich- und
Wechselstromseite oder Installation zusätzlicher externer Netzfilter [7]
-
Die Verlegung der Solarleitungen (+ und -) in geringem
Abstand zueinander sorgt dafür dass sich die elektromagnetischen Felder teilweise aufheben
oder Verlegung in Metallrohren zur Abschirmung der Felder [8]
-
Verlegung
der
Gleichstromleitungen
fernab
von
Wechselspannungsleitungen um ein Einkoppeln der Wechselfelder zu verhindern [8]
[1] http://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2011/kw01/erfolgreiches-jahr-fuerdie-photovoltaik-in-deutschland-7-8-gigawatt-zubau.html (20.01.2011)
[2] EEG-Statistikbericht 2008
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[3] Erge, Thomas; Bendel, Christian; Bopp, Georg; Trümper, Thomas (1996): Elektromagnetische
Verträglichkeit von Photovoltaik-Anlagen, in: Forschungsverbund Sonnenenergie „Themen 69/97“,
1996, S. 39-46
[4] Bopp, G.; Erge, Th.; Schätzle, R. (1999): Inwieweit tragen PV-Anlagen zum Elektrosmog bei?, 14.
Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 1999
[5] http://www.icnirp.org/documents/emfgdlger.pdf (16.02.2011)
[6] Bendel, C.; Jentsch, H.; Kirchhof, J.; Trümper, T. (1999): Sind normgerecht erstellte und installierte
PV-Anlagen elektromagnetisch Verträglich, 14. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad
Staffelstein, 1999
[7] Haselhuhn, Ralf / Hemmerle, Claudia (2008): Leitfaden Photovoltaische Anlagen, 3. Auflage,
Berlin: DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.V., 2008
[8] Internet: Bopp, Werner (2006): Verursachen Photovoltaikanlagen Elektrosmog?,
http://www.openpr.de/news/113050/Verursachen-Photovoltaikanlagen-Elektrosmog.html
(26.11.2010)
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