Bypass-Dioden erweitert, Teil II
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VERFAHREN ZUR DETEKTION VON UNTERBRECHUNGEN IN SOLARGENERATOREN UND ZUR ÜBERPRÜFUNG VON BYPASS-DIODEN – EINE IDEENSAMMLUNG , VERSION 2 (Erweiterte Version des Vortrages auf PV-Brandschutz-Workshop, Freiburg 2013, mit ergänzenden Erläuterungen) Heribert Schmidt Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 12. Workshop „PV-Modultechnik“ TÜV Rhld., 13.11.2015 www.ise.fraunhofer.de © Fraunhofer ISE AGENDA Aufgabenstellung Anforderungen an die Systeme Einige Grundlagen (sorry …) Suche nach offenen (nicht leitenden) Bypass-Dioden Suche von Unterbrechungen im Modul Suche nach kurzgeschlossenen Bypass-Dioden im Modul Zusammenfassung und Ausblick 2 © Fraunhofer ISE Ausgangssituation und Fragestellungen z. Zt. weltweit ca. 200 GWp PV installiert das sind ca. 1 Mrd. Module das sind ca. 60 Mrd. Solarzellen das sind ca. 300 Mrd. Lötstellen das sind ca. 3 Mrd. Bypass-Dioden es gibt schlechte Lötstellen es gibt gebrochene Zellen / Bändchen es gibt offene Bypass-Dioden es gibt kurzgeschlossene Bypass-Dioden es gibt (systematische !!!!) Mehrfachfehler wie können diese Fehler im Feld gefunden werden? 3 © Fraunhofer ISE Quelle: Lutz Erbe, VGH Randbedingungen / Anforderungen an die Messsysteme Messung möglichst im laufenden Betrieb Messung möglichst nur an den Klemmen des Strings Messung möglichst durch nur eine einzelne Person Messung möglichst durch wenig qualifizierte Person Messung möglichst bei jeder Einstrahlung Messung im Dunkeln möglichst vermeiden Messung ohne Referenzsystem / Referenzmessung Messung möglichst schnell durchführbar Fehlerort möglichst genau lokalisierbar Messequipment preiswert 4 © Fraunhofer ISE Grundlagen: Modulstring / Zellstring / Solarzelle (Ergänzung zum Vortrag) Zum Verständnis der weiter hinten angeführten Messverfahren zur Detektion defekter BypassDioden oder auch zur Suche von Unterbrechungen im Modul ist die Kenntnis des einfachsten Ersatzschaltbildes einer Solarzelle sowie dessen Strom-/Spannungskennlinie erforderlich. Daher werden diese in den Folien 7 und 8 erläutert. In der Folie 7 wird links beispielhaft ein Modulstring bestehend aus zwei Modulen und einem Lastkreis dargestellt. Jedes der beiden Module ist aus je zwei Strings von Solarzellen aufgebaut, wobei zu jedem String eine Bypass-Diode parallel geschaltet ist. Im mittleren Bild ist ein einzelner Zellstring bestehend aus „n“ seriell verschalteten Zellen dargestellt nebst der zugeordneten Bypass-Diode. „n“ liegt typischer Weise bei 18, 20 oder 24. Im rechten Bild ist eine einzelne Solarzelle mit ihrem einfachsten Ersatzschaltbild gezeigt, nämlich einer Konstantstromquelle und einer dazu parallel geschalteten Diode. Der Strom der Konstantstromquelle entspricht dem Kurzschlussstrom der Solarzelle und ist proportional zur Einstrahlung. Auf der Folie 8 wird die zugehörige Strom-/Spannungskennlinie gezeigt. Generell entspricht diese einer umgeklappten und um den Kurzschlusstrom ISC verschobenen Diodenkennlinie. In den Datenblättern findet sich typischer Weise aber nur der grün dargestellte Bereich (1. Quadrant). Die Kennlinie setzt sich aber wie gezeigt auch im 2. (rot) und 4. Quadranten (blau) fort. 5 © Fraunhofer ISE Grundlagen: Modulstring / Zellstring / Solarzelle (Ergänzung zum Vortrag) Beim Anlegen einer externen Spannung an die Solarzelle, welche höher ist als deren Leerlaufspannung (Pluspol an Pluspol der Solarzelle), ist die Diode im Ersatzschaltbild in Durchlassrichtung gepolt und es fließt - neben dem Strom der internen Stromquelle - ein zusätzlicher externer Strom durch die Diode . Dies ist anhand der blauen Kennlinie dargestellt. Der Strom nimmt aufgrund der steilen Kennlinie bereits bei geringen Spannungen oberhalb der Leerlaufspannung deutlich zu. Da die Diode jedoch in Durchlassrichtung betrieben wird, kann der zusätzliche externe Strom ein Mehrfaches (3… 5-faches) des Nennstroms betragen, ohne die Zellen oder das Modul zu schädigen. Legt man eine negative Spannung an die Solarzelle (Minuspol an Pluspol der Solarzelle), so ist die Diode in Sperrrichtung gepolt. Ohne Einstrahlung (Dunkelkennlinie) würde man bei kleinen Spannungen nur einen geringen Sperrstrom messen, der ab einer Spannung von etwa 10 … 20 V stark ansteigt. Bei Einstrahlung ist diesem noch der von der internen Stromquelle generierte Kurzschlussstrom ISC überlagert. Dies ist in der Folie 8 anhand der roten Kennlinie dargestellt. Der Verlauf des roten Kennlinienteils ist stark von der Zelltechnologie abhängig, kann aber auch deutlich von Zelle zu Zelle aus gleicher Produktion variieren. Die Kennlinie kann wie gezeigt langsam ansteigen, im schlimmsten Fall kann es aber auch zu einem schlagartigen Durchbruch der Sperrschicht kommen mit einer irreversiblen Schädigung der Zelle (Hot Spot). Hauptfunktion einer Bypass-Diode ist es daher, unzulässig hohe Sperrspannungen zu verhindern. Hierzu werden Gruppen von „n“ seriellen Zellen gebildet und jeweils mit einer Bypass-Diode beschaltet, wodurch die Sperrspannung gemäß der Folie 10 auf etwa 10…15 V begrenzt ist. 6 © Fraunhofer ISE Grundlagen: Modulstring / Zellstring / Solarzelle Modulstring 7 © Fraunhofer ISE Zellstring mit Bypass-Diode Solarzelle Grundlagen: Kennlinie einer Solarzelle umgeklappte und um ISC verschobene Diodenkennlinie Kennlinie setzt sich im 2. (rot) und 4. (blau) Quadranten fort Kennlinienverlauf, Sperrspannung und Sperrverhalten von Zelltyp zu Zelltyp und auch von Zelle zu Zelle sehr unterschiedlich! 8 © Fraunhofer ISE Idealer Betrieb ohne Abschattung /Unterbrechung Teilstring von n gleichen Zellen („n“ z. B. 18, 20 oder 24) wird mit Bypass-Diode geschützt alle n Zellen haben gleichen Strom IZelle Zellstrom entspricht Strangstrom IZelle = IStrang Gesamtspannung = n * UZelle Sperrspannung UBypass = n * UZelle Sperrstrom IBypass ~ 0 9 © Fraunhofer ISE Betrieb mit Abschattung und intakter Bypass-Diode eine von n Zellen sei total abgeschattet Kurzschlussstrom Isc = 0 Zellstrom IZelle ~ 0 Strangstrom fließt über Bypass-Diode IBypass = IStrang UBypass ~ 0,5 V Sperrspannung über abgeschatteter Zelle: U‘Zelle = (n - 1) * UZelle + UBypass ~ n * UOC_Zelle U‘Zelle ~ 10 … 15 V Zelle ist gegen Hot-Spots geschützt! 10 © Fraunhofer ISE Betrieb mit Unterbrechung und intakter Bypass-Diode alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom IZelle = 0 Strangstrom fließt über Bypass-Diode IBypass = IStrang UBypass ~ 0,5 V Sperrspannung über Bruchstelle: UBruch = n * UZelle + UBypass ~ (n + 1) * UOC_Zelle UBruch ~ 11 … 16 V zu wenig für stabilen Lichtbogen „bruzelnder Wackelkontakt“ gut möglich 11 © Fraunhofer ISE Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom IZelle = 0 Bypass-Diode sei unterbrochen (z. B. wegen aus Unterbrechung resultierender systematischer thermischer Überlastung!) IBypass = Istrang = 0 Spannung über Bruchstelle (worst case): UBruch = UOC_Strang !!!! Lichtbogen hoher Leistung im Modul oder über Bypass-Diode sehr wahrscheinlich!!!! 12 © Fraunhofer ISE Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode Beispiel für „offene“ Bypass-Dioden. (Diese Anschlussdose gehört nicht zu dem rechts gezeigten Modul) 13 © Fraunhofer ISE Quellen: VGH Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden (Ergänzung zum Vortrag) Bei fehlender Beleuchtung (z. B. nachts) kann einfach festgestellt werden, ob bei der auf der Folie 16 gezeigten Kette von in Serie geschalteten Bypass-Dioden alle Dioden leitend werden. Handelsübliche Multimeter mit Dioden-Messfunktion sind hierzu allerdings nicht geeignet, da die Messspannung zu gering ist, um z. B. in einem String von 15 Modulen mit je 3 in Reihe geschalteten Bypass-Dioden (also 45 seriellen Dioden) einen Messstrom fließen zu lassen. Hierzu sind je nach Dioden-Technologie wenigstens etwa 10 … 25 V erforderlich. Diese Spannung kann aber mit speziellen Messgeräten oder externen Netzgeräten bereit gestellt werden. Soll die Messung auch bei beleuchteten Zellen durchgeführt werden, so können die Spannungen/Ströme des Solargenerators das Messgerät resp. das angeschlossene Netzgerät zerstören. Abhilfe bringt der Einsatz der auf der Folie 16 gezeigten Schutzschaltungsanordnung für das Netzgerät. Parallel zum Ausgang befindet sich eine Schutzdiode, welche bei ausgeschaltetem Netzgerät den Solargenerator nahe am Kurzschluss betreibt - die Diode muss diesen Strom dauerhaft leiten können. Über der Schutzdiode fällt dabei typischer Weise eine Spannung von etwa 0,5…1 V ab, die durch eine weitere serielle Schutzdiode vom Ausgang des Netzteils entkoppelt wird. 14 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden (Ergänzung zum Vortrag) Überschreitet die einstellbare Stromstärke des Netzgerätes den momentanen Kurzschlussstrom des Strings, so sperrt die parallele Schutzdiode, und durch den String fließt ein Strom, der größer ist als der Kurzschlussstrom der Zellen. Dadurch werden die Bypass-Dioden leitend, und bei „n“ intakten Bypass-Dioden kann das n-fache der Durchlassspannung einer einzelnen Diode gemessen werden. Abhängig von der Diodentechnologie und der Anzahl der Dioden liegt diese Spannung bei wenigen Volt bis zu etwa 25 V, siehe oben. Liegt eine Unterbrechung von einer oder mehreren Bypass-Diode vor, so tritt eine deutlich höhere Spannung auf, was auf eine offen Bypass-Diode schließen lässt! Der Fehlerort lässt sich allerdings mit dieser einfachen Messmethode nicht orten. Diese Messmethode versetzt in nachteiliger Weise den String mit der defekten Bypass-Diode in einen ungünstigsten Betriebspunkt für Zellschädigungen (Kurzschluss-Betrieb resp. negative Stringspannung, Hot Spot-Gefahr). Die Spannung des Netzgerätes sollte daher auf einen Wert von z. B. 20 V über dem erwarteten Wert begrenzt sein, um eine (weitere) Schädigung der wegen der fehlenden Bypass-Diode ungeschützten Zellen zu vermeiden! 15 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden Durchgangs-Messung der Bypass-Dioden in der Nacht problemlos Messung am Tage erfordert i. A. Schutzschaltung („Bypass“) für Netzgerät wenn INetzgerät < IZelle , dann: USG = UDiode ~ 0.5…1 V wenn INetzgerät > Izelle , dann: USG = - n * UBypass~ - n * 0.5 V wenn wenigstens eine Bypass-Diode offen, dann: USG >> - n * UBypass 16 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden Anforderungen an Netzgerät: Strom- und Spannungsregelung Imax = 2 * ISC_STC ~16 A (Nicht unbedingt erforderlich! Achtung: Leitungen haben dann bis zu 2 ISC _STC) Umax = (n * UBypass + 20 V) ~ 50 V Pmax = (2 * ISC_STC * n * UBypass) ~ 500 W 17 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für unterbrochene Zellen/Bändchen bei intakter Bypass-Diode (Ergänzung zum Vortrag) Bei dieser Messanordnung wird durch ein externes Netzteil eine Spannung derart angelegt, dass die Solarzellen im 4. Quadranten betrieben werden, siehe hierzu auch die Folien 5…8. Damit eine Messung sowohl im ersten als auch im vierten Quadranten ohne eine aufwändige Stromquelle/-senke (2- oder 4-Quadranten-Netzteil) möglich ist, wird der Modulstring mit einer geringen Grundlast belastet, z. B. dem in der Folie 19 gezeigten Lastwiderstand. Bei intakten Zellen und intakten Bypass-Dioden stellt sich der grün gezeichnete Arbeitspunkt ein. Wird die Spannung des Netzgerätes erhöht, so wird ab einer Spannung oberhalb der Leerlaufspannung ein Strom in den Solargenerator hinein fließen, siehe hierzu das Ersatzschaltbild der Solarzellen auf Folie 8. Nimmt man die Kurve z. B. mit einem modifizierten Kennlinienschreiber oder einem Oszilloskop auf, so ergibt sich ein „glatter“ Nulldurchgang des Stromes. Bei unterbrochenen Zellen oder Bändchen und intakten Bypass-Dioden kann kein Strom rückwärts in das Modul fließen. Die rot gezeichnete Kennlinie hat also einen Knick, der auch mit einfachen Mitteln (Multimeter) leicht zu erfassen ist: steigt die Spannung am Solargenerator ohne wesentliche Zunahme des Stromes deutlich über die Leerlausspannung hinaus an, so liegt eine vollständige Unterbrechung von wenigstens einer Zelle oder einer Zellverbindung vor. Als Netzgerät kann z. B. das weiter vorne beschriebene Gerät mit Schutzbeschaltung und zusätzlichem Lastwiderstand eingesetzt werden. 18 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für unterbrochene Zellen/Bändchen bei intakter Bypass-Diode 19 © Fraunhofer ISE Neue Messanordnung für unterbrochene Zellen/Bändchen bei intakter Bypass-Diode Anforderungen an Netzgerät: Strom- und Spannungsregelung Imax << 1 A Umax = UOC + 20 V (bis 1000 oder 1500 V) Pmax = Umax * Imax ~ 1…1,5 kW 20 © Fraunhofer ISE Weitere Verfahren unter ausschließlicher Nutzung der Generatorklemmen (Ergänzung zum Vortrag) Auf der folgenden Seite werden weitere Messverfahren vorgestellt, mit denen versucht wird, unter ausschließlicher Nutzung der Generatorklemmen eine Information über den Zustand des Solargenerators resp. der angeschlossenen Strings zu gewinnen. Manipulationen am Solargenerator wie z. B. partielle Abschattungen sind dabei nicht vorgesehen. Als Verfahren wird hier zum einen die Impedanzmessung genutzt, also eine Messung im Frequenzbereich, zum anderen die Time Domain Reflectometry (TDR), bei welcher die Reaktion eines Strings auf Anregungsimpulse im Zeitbereich ausgewertet wird. Nach Einschätzung des Autors kann mit den beschriebenen Messverfahren eine pauschale Aussage über den „Gesundheitszustand“ des vermessenen Strings gemacht werden, aber keine detaillierten Aussagen über z. B. einzelne kurzgeschlossene Bypass-Dioden. Hierzu ist immer eine Referenzmessung erforderlich! Die Fa. EMAZys hat ein im Jahre 2012 vorgestelltes Impedanzmessgerät mit einigen anderen Messmethoden kombiniert (Isolationswiderstands-Messung, Fehleranalyse durch partielle Abschattung des Solargenerators (siehe hierzu die Folien 34 ff)) und ein darauf basierendes Messgerät im November 2015 auf dem 12. Modul-Workshop, des TÜV Rhld. vorgestellt. Durch die Kombination mehrere Messmethoden in einer kompakten Einheit erscheint dieses Gerät jetzt gut geeignet für den praktischen Einsatz. 21 © Fraunhofer ISE Weitere Verfahren unter ausschließlicher Nutzung der Generatorklemmen Fa. EmaZys ( http://www.emazys.com/fileadmin/emazys/Press_EmaZys_English.pdf ) Dänisches Patent DK 177 168 B1 auf Impedanz-Messverfahren erteilt Prototyp im Jahre 2012 auf 27. EUPVSEC vorgestellt praxistaugliches Gerät mit kombinierten Messmethoden im Jahre 2015 vorgestellt (siehe hierzu Anmerkungen auf Folien 21 und 36 ff!) Schott / SMA: DE 10 2009 044 057 A1 (Impedanz) SMA: 10 2006 052 295 A1 (Impedanz) ISET Kassel: 10 2008 062 659 A1 (Impedanz) Einige Veröffentlichungen zu Time Domain Reflectometry (TDR) Nachteil: alle Verfahren benötigen eine Referenz oder eine frühere Messung! 22 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: IR Thermografie & Elektroluminiszenz EL (Ergänzung zum Vortrag) Die Untersuchung von Solargeneratoren mittels Infrarot- (IR-) Kameras ist heute Stand der Technik. Entsprechende Geräte sind in guter Qualität zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die klassische „Tag-IR-Thermografie“ erfolgt bei ausreichender Einstrahlung und erlaubt - mit entsprechender Erfahrung - die Erkennung aktiver und nicht aktiver Teile des Solargenerators. Damit können auch Fehler der Bypass-Dioden oder der Zellverbinder erkannt werden. Die Messungen können vorteilhafter Weise im laufenden Betrieb der Anlage erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz der IR-Kameras besteht in der „Nacht-Thermografie“. Hierbei wird mittels eines externen Netzgerätes ein Strom in den Generator eingespeist und die Erwärmung der einzelnen Module miteinander verglichen. Da hier das „störende“ Sonnenlicht fehlt, sind die erzielten Messergebnisse zumeist eindeutig. Von Nachteil ist, dass die Messung bei Nacht erfolgen und der Generator extern gespeist werden muss. Eine sehr gute Messmöglichkeit stellt die Elektroluminiszenz-Messung (EL) dar. Hierbei wird ebenfalls ein Strom in den String eingespeist und die in den Zellen entstehende Lichtstrahlung im langwelligen Bereich mit speziellen Kameras aufgenommen. EL-Messungen sind inzwischen Standard bei Zell- und Moduluntersuchungen in Labor und Fertigung. Zunehmend werden sie auch bei Outdoor-Messungen eingesetzt und sind dort ein vielseitiges und mächtiges Werkzeug zur Identifikation verschiedener Modulfehler. Es ist davon auszugehen, dass Outdoor-EL-Messungen zukünftig zum Standard bei der Fehlersuche in Solargeneratoren werden! 23 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: IR Thermografie & Elektroluminiszenz EL „Tag-IR-Thermografie“ im laufenden Betrieb zeigt prinzipiell kurzgeschlossene und leerlaufende Modulbereiche Messung nur bei gutem Wetter, braucht Erfahrung „Nacht-IR-Thermografie“ Einspeisen eines Stromes zum Aufheizen der Module wie oben, aber bei jedem Wetter oder auch Nachts möglich Ergebnisse deutlicher als bei normaler IR-Thermografie Unterbrechung des Betriebs und Einspeisung via Netzteil erforderlich EL-Messung im Feld wie oben, sehr aussagekräftig, inzwischen auch preisgünstig zeigt eindeutig kurzgeschlossene Bypass-Dioden Quelle: MERTENS, K. „Photovoltaik“ ISBN 978-3-446-44232-0 24 © Fraunhofer ISE LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Konrad Mertens, David Pascual Fachhochschule Münster, Photovoltaik-Prüflabor, Steinfurt Matthias Diehl photovoltaikbuero, Ternus und Diehl GbR, Rüsselsheim Im Folgenden werden Auszüge aus dem Vortrag von K. Mertens et al. auf dem 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein 2015, Seite 258 ff, gezeigt. Diese wurden dankenswerter Weise von Herrn Mertens zur Verfügung 25 gestellt! © Fraunhofer ISE Wie werden die Messungen durchgeführt? Typischer Messaufbau IR Laptop Kamera USB 26 © Fraunhofer ISE HochvoltNetzteil USB • Stringbestromung über Netzteil (z.B. halber Kurzschlusstrom) • Scharfstellung im Videomodus • Belichtungszeiten zwischen 0,5 und 5 sek • Ggf. Differenzbildaufnahme (bestromt, unbestromt) Wie werden die Messungen durchgeführt? Verwendetes Netzteil „pvServe“: • U = 0 - 1000 V, I = 0 - 5 A, PMax = 3,3 kW • Betreibbar an 230 V - Steckdose • Fernsteuerbar über USB-Bus 27 © Fraunhofer ISE Konkrete EL-Messbeispiele Wie sind die Strings verkabelt? String 1: 28 © Fraunhofer ISE String 2: Konkrete EL-Messbeispiele Fehlerbild: Bypassdioden im Kurzschluss aktiver Zellstring 29 © Fraunhofer ISE überbrückte Zellstrings intaktes Modul Was kann man damit sonst noch anfangen? Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden Anlegen einer negativen Spannung an den String: Betroffenes Modul heizt sich auf 30 © Fraunhofer ISE Was kann man damit sonst noch anfangen? Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden Mit Thermographie ist betroffenes Modul leicht zu finden Betroffener Zellstring 31 © Fraunhofer ISE Was kann man damit sonst noch anfangen? Rückstromthermographie („Nacht-Thermographie“) Hotspots (durch Kontaktfehler) deutlich besser detektierbar als bei Tag-Thermographie (keine Aufheizung der Zellen durch Sonnenlicht, keine Reflexionen des Sonnenlichts) 32 © Fraunhofer ISE Weiteres Beispiel zu „Nacht-Thermografie“ hier ist nur eine Reihe von Solarzellen aufgrund einer kurzgeschlossenen Bypass-Diode nicht bestromt (dunkel) dies ist begründet in der eher ungewöhnlichen unsymmetrischen Aufteilung von in diesem Falle fünf Solarzellen-Reihen auf drei BypassDioden Quelle: Photovoltaikbüro Ternus & Diehl GbR 33 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Ergänzung zum Vortrag) Im Folgenden werden Messmethoden vorgestellt, bei denen Manipulationen am Solargenerator vorgenommen und die Reaktionen darauf ausgewertet werden. Mögliche Manipulationen sind das gezielte Abschatten einzelner Module oder auch Modulbereiche (Zellstrings) sowie das zusätzliche Bestrahlen der Module . Mehrere Messverfahren wurden in den 1990er-Jahren vom Autor am Fraunhofer ISE zur schnellen Fehlerdetektion in Modulen der Fa. AEG/DASA entwickelt und z. B. auf dem 12. PV-Symposium 1997 in Bad Staffelstein vorgestellt. Bei den genannten Modulen trat nach einigen Betriebsjahren ein systematischer Bruch der Zellverbinder auf, der dann zum Ausfall des zugehörigen Zellstrings führte. Diese Haarrisse waren im Feld mit optischen Methoden nicht zu erkennen, und nur in seltenen Fällen führte der sich ergebende „Wackelkontakt“ zu sichtbaren Schäden wie Brennflecken, Aufblähen und Bruch der Glas-Glas-Module (siehe hierzu auch die Folien 11 und 37). Der Stringstrom floss in diesen Fällen vollständig über die Bypass-Dioden, die damit bei den seinerzeit moderaten Strömen von etwa 3 A jedoch keine Probleme hatten. Es ist weiterhin anzumerken, dass trotz der sehr großen Anzahl solcher Fehler kein Brandschaden durch sie verursacht wurde. Dies ist neben dem Aufbau in Glas-Glas-Technologie auch der soliden Funktion der Bypass-Dioden zuzuschreiben – systematische Doppelfehler wie auf der Folie 12 ff beschrieben wurden nicht beobachtet. 34 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Ergänzung zum Vortrag) Eine sehr einfache aber außerordentlich effektive Messmethode besteht in der auf den Folien 39 bis 41 beschriebenen partiellen Abschattung der Module bei gleichzeitiger Belastung durch eine Grundlast. Auf der Folie 39 ist zunächst die Kennlinie 1 eines intakten Modulstrings dargestellt . Werden - wie in dem Schaltbild daneben angedeutet - eine oder auch mehre Zellen eines Zellstrings zumindest teilweise abgeschattet, so ergibt sich für den Gesamtstring die Kennlinie 2. Bei hohen Stringströmen ist die zugehörige Bypass-Diode leitend, und die Stringspannung ist um die Spannung der zugehörigen 18 … 24 Zellen, also etwa ΔU ≈ 10…15 V, vermindert. Bei einer nicht vollständigen Abschattung - eine vollständige Abschattung ist im Feld kaum zu erreichen - übernehmen die abgeschatteten Zellen ab dem Knickpunkt 3 wieder den Stringstrom, was letztlich zu einer Leerlaufspannung führt, die trotz hoher Abschattung nahe bei der Spannung ohne Abschattung liegt. Ein Erkennen und Auswerten der Veränderungen als Folge der Abschattung ist anhand der Leerlaufspannung also nicht möglich. Belastet man hingegen den String mit einem passenden Widerstand, so ergibt sich ohne Abschattung der Arbeitspunkt 4, der bei Herbeiführung einer auch nur unvollständigen Abschattung schlagartig in den Arbeitspunkt 5 wechselt. Der bei einem intakten String auftretende Spannungshub von ΔU ≈ 10…15 V kann einfach und eindeutig mit einem Multimeter erfasst werden. Die Grundlast kann auch nur kurzzeitig während der Messphase aktiviert sein, auch kann sie z. B. eine schaltbare und an den Modulstrom angepasste Konstantstrom-Senke sein. 35 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Ergänzung zum Vortrag) Liegt ein Modulfehler vor, so sind abhängig von der Art des Fehlers unterschiedliche Spannungsänderungen möglich: Bei einem offenen Zellstring (vollständige Unterbrechung) und auch bei einer kurzgeschlossenen Bypass-Diode befindet man sich auch ohne Abschattung immer auf der Kennlinie 2. Diese weist dann auch nicht mehr den Knick 3 auf, sondern verläuft auf der gestrichelten Linie weiter bis zu der verminderten Leerlaufspannung. Der Arbeitspunkt der angeschlossenen Grundlast verbleibt daher mit und ohne Abschattung im Punkt 5, d. h., die Spannung ändert sich beim Herstellen oder Entfernen der Abschattung nicht. Dies erlaubt eine sehr schnelle und eindeutige Zuordnung eines Fehlers zu einem bestimmten Modul oder sogar zu einem Zellstring innerhalb eines Moduls. Bei einer offenen Bypass-Diode fällt bei einer Abschattung der zugehörigen Zellen ein großer Teil der Stringspannung über diesen abgeschatteten Zellen ab - die an den äußeren Klemmen gemessene Spannung sinkt also überproportional ab, was ebenfalls eindeutig zu erkennen ist. Das beschrieben Verfahren wurde sehr erfolgreich bei der Suche nach den defekten AEG/DASAModulen eingesetzt. In der Folie 40 ist die „Abschattungspappe“ in der Größe eines Tischtennisschlägers zu erkennen, welche mittels einer dünnen Stange leicht über den Solargenerator geführt werden kann. Eine zweite Person beobachtet dabei die Änderung der Spannung am Modulstring keine Änderung: Modul defekt! Die Messung beansprucht nur wenige Sekunden pro Modul und hat eine Treffsicherheit von 100 %! 36 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Ergänzung zum Vortrag) Die Fa. EMAZys hat - nach unbestätigter Einschätzung des Verfassers - dieses einfache Grundprinzip in ihrem neuen „Universal-Modul-Tester“ in eine praxistaugliche Form gebracht, siehe hierzu die Folie 21. Auch hier werden die Module eines Strings (oder auch Teilmodule) nacheinander abgeschattet und zunächst die jeweiligen Stringspannungen in einem Datenlogger abgespeichert. Liegen alle Spannungswerte vor, so ist es nach der oben beschriebenen Methode einfach möglich, die defekten Module zu identifizieren und anzuzeigen. Parallel zu der Spannungsmessung kann auch bei jeder Abschattungssituation die Impedanz des Modulstrings gemessen werden. Dies erlaubt eine zusätzliche Aussage, insbesondere bei einer offenen Bypass-Diode, da in diesem Falle bei einer Abschattung die Impedanz deutlich ansteigt . Infos: http://www.zenitsolar.com/ 37 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (H. Schmidt, 12. PV-Symposium, Staffelstein 1997) Quellen: Fraunhofer ISE Gebrochene Alu-Bändchen bei AEG/DASA-Modulen (Serienfehler) 38 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (H. Schmidt, 12. PV-Symposium, Staffelstein 1997) 39 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (H. Schmidt, 12. PV-Symposium, Staffelstein 1997) 40 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (H. Schmidt, 12. PV-Symposium, Staffelstein 1997) Erkennung von Unterbrechungen von Zelle oder Bändchen Erkennung von kurzgeschlossenen Bypass-Dioden Erkennung offener Bypass-Dioden 100 % Treffsicherheit! sehr schnell und sehr einfach – nur wenige Sekunden pro Modul Solargenerator muss zugänglich sein Einstrahlung „einigermaßen“ hoch (> 200 W/m²) zweite Person zum Ablesen des Messgerätes sinnvoll Ablesen und Auswerten kann „automatisiert“ werden durch entsprechenden Datenlogger (Gerät der Fa. EMAZys ?!) 41 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gechopptes Licht (Ergänzung zum Vortrag) Aufbauend auf dem auf den vorherigen Folien beschriebenen Grundprinzip einer gezielten Abschattung sind auch andere Manipulation am Solargenerator möglich. Ein Ansatz ist es, die beiden mit der beschriebenen Abschattung nur statisch herbeizuführenden Beleuchtungszustände periodisch mittels mechanischer oder Flüssigkristall- (LCD-) Chopper zu erzeugen. Diese periodischen Veränderungen der Bestrahlung und damit der Solargeneratorkennlinie erlaubt wegen der bekannten Frequenz und Phasenlage hochempfindliche , aber dennoch einfach zu realisierende Verfahren zur deren Detektion. Diese reichen von einer frequenzselektiven Auswertung bis hin zu einem Korrelationsempfang (lock-in). Auf der folgenden Folien werden einige Ideen / Beispiele dazu aufgeführt. Das Verfahren mit einer zusätzlichen Bestrahlung über ein Array von spektral optimal an SiliziumSolarzellen angepassten IR-Leuchtdioden, welche mit einer Frequenz von ca. 1 kHz getaktet einund ausgeschaltet werden, wurde erfolgreich erprobt. Die durch das modulierte Licht herbeigeführten Stromänderungen können mit einer geringfügig modifizierten, preiswerten AC-Stromzange im laufenden Betrieb der Anlage kontaktlos von dem Stringkabel abgenommen werden. Da die Taktfrequenz des Lichtes (1 kHz) bekannt ist, kann das Messsignal mittel Bandpass-Filterung einfach von Störsignalen befreit und verstärkt werden. Das auf der Folie 45 gezeigte zusätzliche Bestrahlen einzelnen Zellen mittels gechopptem Licht wurde bislang noch nicht erprobt. 42 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast, neue Ideen Gechopptes Licht ermöglicht „kontinuierliche“ Messung Korrelationsempfang des gechoppten Signals möglich („Lock-In“-Prinzip) Pappe 43 © Fraunhofer ISE mechan. Chopper LC-Chopper LED-Chopper Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast, neue Ideen Prototyp des „LED-Choppers“ mit IR-LEDs (960 nm, Taktfrequenz = 1 kHz) Erfolgreiche Erprobung des Prototyps 44 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: gezieltes zusätzliches Bestrahlen von Modul-Substrings gechopptes Licht erzeugt kleines E erzeugt kleine Änderung von Strom und Spannung kann mit Korrelationsempfang detektiert werden???? 45 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Verfolgung von eingespeisten Signalen (Ergänzung zum Vortrag) Im Rahmen der Untersuchungen an Generatoren mit defekten AEG/DASA-Modulen (siehe Folien 34 ff) wurden vom Autor am Fraunhofer ISE verschiedene Methoden zur Detektion von Unterbrechungen und defekter Bypass-Dioden mittels einer Verfolgung eingespeister oder auch kontaktlos zugeführter Signale entwickelt. Diese Methoden wurden veröffentlicht, teilweise auch patentiert. Zwei dieser Verfahren sind auf der Folie 48 dargestellt. Bei dem links gezeigten Verfahren wird ein z. B. rechteckförmiges, sehr einfach zu erzeugendes Testsignal mit z. B. 1 kHz Frequenz über einen nicht dargestellten Koppelkondensator an den äußeren Klemmen des Strings eingespeist. Als Empfänger dient die im kleinen Bild dargestellte kapazitive Sonde, sprich eine handteller große Dose, deren isolierte leitende Unterseite mit den Solarzellen im Modul einen Plattenkondensator bildet. Das über die kapazitive Kopplung aufgenommene Signal wird einem Verstärker zugeführt, der das Signal über einen Lautsprecher oder Kopfhörer wiedergibt. Das Bezugspotenzial des Verstärkers kann zwischen dem oberen und dem unteren Anschluss des Solargenerators umgeschaltet werden. Liegt wie in diesem Beispiel eine Unterbrechung in der Mitte des Strings vor, so ist bei der gezeigten Schalterstellung in der oberen Hälfte des Generators ein Signal hörbar, in der unteren nicht. Nach Umschalten ist zur Kontrolle in der unteren Hälfte ein Signal hörbar. Dieses kapazitive Verfahren funktioniert auch oder gerade bei einer vollständigen Unterbrechung im Modul! Das gezeigte Verfahren konnte für wenige Euro realisiert und in der Praxis erfolgreich erprobt werden. 46 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Verfolgung von eingespeisten Signalen (Ergänzung zum Vortrag) Das beschrieben Grundprinzip kann auch mittels einer induktiven Kopplung realisiert werden. Das entsprechende Blockschaltbild sowie eine mögliche Ausführungsform des induktiven Sensors sind in dem rechten Teil der Folie 48 dargestellt. Ein Testsignal wird an den Klemmen des Strings eingespeist und erzeugt einen Strom durch das Modul. Dazu muss allerdings - im Gegensatz zu dem kapazitiven Verfahren - ein durchgängiger Strompfad vorliegen. Der Strom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches mit sehr einfachen Mittel detektiert werden kann. Dies ermöglicht eine berührungslose und hochaufgelöste Messung der Ströme im Modul, was nicht nur die Erkennung defekter Bypass-Dioden oder vollständig unterbrochener Zellverbinder ermöglicht, sondern auch das Erkennen schlechter Lötungen durch einen Vergleich der Ströme in den einzelnen Zellverbindern. Diese Verfahren eignet sich daher auch zur laufenden Qualitätskontrolle in der Modulfertigung! http://www.pv-brandsicherheit.de/fileadmin/WS_03-0414/BOGDANSKI_Neuartige_Methoden_zur_Qualit%C3%A4tssicherung_und_Fehlersuche_K%C3%B6ln_2014-04-03.pdf Das beschrieben Verfahren wurde von Herrn Kazuhiko Kato neu entdeckt und vielfach publiziert, siehe Folien 49 ff. Weiterhin arbeiten die auf der Folie 52 gezeigten von der Fa. SOLARTEKTOR eingesetzten mobilen Messsonden sehr wahrscheinlich nach diesem Prinzip - allerdings im Vergleich zu KATO ohne „menschliche Belastung“ des Solargenerators…. 47 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (H. Schmidt, 12. PV-Symposium, Staffelstein 1997) Quelle: Patentschrift H. Schmidt DE 197 01 152 C2 (1997) 48 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (indukt. Verfahren, KATO, IEA Task 13) 49 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (indukt. Verfahren, KATO, IEA Task 13) 50 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (indukt. Verfahren, KATO, IEA Task 13) 51 © Fraunhofer ISE Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung --- und das gleiche ohne große mechanische Belastung der Module Quelle: Quelle: http://www.solartektor.de/ 52 © Fraunhofer ISE Messgerät „INTERRUPT“ (Ergänzung zum Vortrag) Zur exakten Lokalisierung der Unterbrechungen innerhalb der vorne genannten AEG/DASAModule wurde vom Autor am Fraunhofer ISE verschiedene Messverfahren entwickelt. Zwei dieser Verfahren wurden in dem Handgerät „INTERRUPT“ zusammengefasst. Das erste Verfahren beruht auf der Dämpfung eines Schwingkreises durch induzierte Ströme in einem elektrisch leitenden Material oder einer Leiterschleife. Das Grundprinzip ist das gleiche wie bei einem handelsüblichen Metallsuchgerät, nur ist die Anzeige „invertiert“: das Metallsuchgerät pfeift, wenn der Schwingkreis bedämpft wird, also eine leitende Umgebung gefunden wurde. Beim INTERRUPT gibt es einen Alarm, wenn keine leitende Verbindung und damit keine Bedämpfung des Schwingkreises gefunden wurde. Die leitende Verbindung wird bei intakten Zellverbindern gemäß der Folie 55 durch die Zellverbinder, die Rückseitenmetallisierung sowie das durchgehende Frontgrid gebildet. Wird die Spule des Schwingkreises oberhalb dieser Leiterschleife positioniert, so wird bei geschlossener Schleife ein Strom induziert, der den Schwingkreis bedämpft. Ist wenigstes einer oder sind beide Zellverbinder unterbrochen, so ist die Dämpfung wesentlich geringer, was zur Anzeige gebracht wird. Das Verfahren reagiert auch auf erhöhte Übergangswiderstände aufgrund schlechter Kontaktierungen und kann daher auch zur Qualitätskontrolle in der Modulfertigung eingesetzt werden. Das zweite Verfahren beruht auf einer kapazitiven Einkopplung eines AC-Messstroms in zwei benachbarte Zellen mittels zweier außen auf das Modul aufgelegten Elektroden. Falls keiner der Zellverbinder leitend ist, entsteht kein Stromfluss, was zur Anzeige gebracht wird. Damit ist eine Unterscheidung zwischen vollständigen und unvollständigen Unterbrechungen möglich. 53 © Fraunhofer ISE Messgerät „INTERRUPT“ Gerät zur kontaktlosen Detektion von vollständigen und unvollständigen Unterbrechungen sowie schlechten Kontaktierungen in Zellstrings Gerät enthält zwei Messverfahren: mittels eines induktiven Verfahrens Detektion aller Unterbrechungen mittels eines kapazitiven Verfahrens Unterscheidung zwischen vollständigen und unvollständigen Unterbrechungen Gerät wurde vom Fraunhofer ISE in Kleinserie gebaut und sehr erfolgreich in Labor, Fertigung und Feld eingesetzt Gerät wird nicht mehr hergestellt Quelle: Patentschrift H. Schmidt DE 197 01 152 C2 (1997) 54 © Fraunhofer ISE Messgerät „INTERRUPT“ Zellverbinder, Rückseitenmetallisierung und Frontgrid bilden eine Leiterschleife induktiv eingekoppelte Ströme bedämpfen einen Schwingkreis, wenn diese Schleife geschlossen ist gleiches Grundprinzip wie Metallsuchgeräte, nur Anzeige „invertiert“ kapazitives Verfahren koppelt über flächige Elektroden Wechselstrom in zwei benachbarte Zellen Strom nur möglich, wenn wenigstens einer der Zellverbinder intakt dadurch Unterscheidung der Fehlerarten möglich 55 © Fraunhofer ISE Zusammenfassung und Ausblick es besteht Bedarf an Messmethoden für Bypass-Dioden und Modulstrings zahlreiche einfache Messmethoden, die ausschließlich an den Anschlussklemmen eines Modulstrings durchgeführt werden, sind aussagekräftig, ergeben aber keine Aussage über den Fehlerort durch zusätzliche Manipulationen am Solargenerator (gezielte Abschattungen oder Beleuchtung) kann auch der Fehlerort identifiziert werden „Tag-IR-Thermografie“ erlaubt Messung im laufenden Betrieb „Nacht-IR-Thermografie“ mit Bestromung ergibt eindeutige Resultate Outdoor-EL-Messungen sind sehr aussagekräftig und werden sich zu einer Standard-Messmethode etablieren Signalverfolgung im Generator oder auch im Modul erlaubt präzise Fehlerortung und ist darüber hinaus auch zur laufenden Qualitätskontrolle in der Fertigung geeignet Handmessgerät „INTERRUPT“ ermöglicht zuverlässige Detektion von Unterbrechungen in Labor, Fertigung und im Feld 56 © Fraunhofer ISE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heribert Schmidt www.ise.fraunhofer.de [email protected] 57 © Fraunhofer ISE
