Die 7 häufigsten Fehler an Photovoltaikanlagen

Die regelmäßigen Leser unseres pvKnowHow-Blogs wissen, dass es hier seit nun schon 14 Jahren regelmäßig um die Fehlersuche an Photovoltaikanlagen geht. Alle Themen, die in unseren Seminaren zur systematischen Fehlersuche an PV-Anlagen behandelt werden, wurden auch hier im Blog schon an der ein oder anderen Stelle beschrieben. Leider ist es insbesondere für neue Leser nicht ganz einfach hier den Überblick zu behalten und immer den Artikel zu finden, der das gerade aktuelle Problem am treffendsten beschreibt. Da nun auch der SolarEnergieFörderVerein in Aachen einen entsprechenden Überblicksartikel bei mir angefragt hat, möchte ich dies zum Anlass nehmen und einen Artikel über die 7 am häufigsten vorgefundenen Fehler an Photovoltaikanlagen hier veröffentlichen.

Es versteht sich von selbst, dass in einem Überblicksartikel nicht auf jedes der angesprochenen Probleme in der normalerweise hier üblichen Detailtiefe eingegangen werden kann. Ich habe mich aber bemüht die entsprechenden Artikel zu verlinken, so dass der interessierte Leser jederzeit zu den ausführlicheren Beschreibungen des jeweiligen Problems verzweigen kann.  Die Reihenfolge der Fehler ist natürlich subjektiv und hängt damit zusammen, was uns hier beim pvBuero am häufigsten an Problemen begegnet. Wechselrichterdefekte, die in Photovoltaikanlagen ebenfalls auftreten können, sind in der Übersicht nicht mit aufgeführt, da die in der Praxis unkompliziert durch einen Wechselrichtertausch behoben werden.

Wichtig ist auch zu betonen, dass es gleichzeitig eine Unmenge an Photovoltaikanlagen gibt, die einwandfrei laufen und diese Defekte nicht haben. Auch ältere Photovoltaikanlagen. Da wir aber spezialisiert sind auf Fehlersuche, bekommen wir ausschließlich nur die Minderheit der defekten Anlagen zu Gesicht mit folgenden typischen Fehlerbildern:

1. Offene Zellverbinder, sich ablösende Frontkontakte, offene Substrings

Das Bild zeigt, wie sich an einem offenen Zellverbinder Mikrolichtbögen bilden, die zur Entzündung der Rückseitenfolie führen
Das Bild zeigt, wie sich an einem offenen Zellverbinder Mikrolichtbögen bilden, die zur Entzündung der Rückseitenfolie führen

Die Überschrift zeigt schon, dass es sich um eine Vielzahl von Erscheinungsformen ein und desselben Grundproblems handelt. Es geht um versagende Löt- oder Klemmverbindungen innerhalb des Solarmoduls. Das bedeutet, dass eine ursprünglich niederohmige Verbindung zwischen zwei Solarzellen oder zwischen der Modulanschlussdose und den Solarzellen, im Laufe der Zeit hochohmig wird. Hochohmig bedeutet dabei, dass die Übergangswiderstände zwischen den Bauelementen  höher werden und dass dadurch an diesen Übergangswiderständen Wärme entsteht, die wiederum das weitere Fortschreiten des Prozesses begünstigt. Begleitet wird diese Wärmeentwicklung oft mit einer Verfärbung der Einbettungsfolien der Solarmodule oder mit einer Verformung der Modulanschlussdose. Im Extremfall kommt es sogar zu kleinen Lichtbögen zwischen zwei Zellen, die so heiß werden können, dass sich die Rückseitenfolie entzünden kann. Die dabei entstehende Hitze genügt dann auch meistens, um die Frontglasscheiben der Module zum Zerbersten zu bringen. Fühlt man über die defekte Modulglasscheibe, so ist sie in der Regel ganz glatt, ganz im Gegenteil zu ihrer Beschaffenheit, wenn sie durch die Einwirkung dicker Hagelkörner zerstört wurde und durch die Hagelkörner Einschlagmulden zu fühlen sind. Man sieht an diesem Beispiel, dass ganz verschiedene Fehlerbilder (braune Flecken an der Einbettungsfolie, Ausbeulungen an der Modulanschlussdose, defekte Frontglasscheibe) letztlich auf ein und dasselbe Problem zurückgeführt werden können. Wenn die Verbindung zwischen zwei Zellen schließlich komplett unterbrochen wurde, geht ein Substring in den Leerlauf und der Strom des Modulstranges fließt künftig dauerhaft über die Bypassdiode des betroffenen Substrings. Dies resultiert dann lediglich in einer leicht geminderten Strangspannung und bleibt von vielen Betreibern von PV-Anlagen für lange Zeit unbemerkt. Erst wenn dann mal wieder jemand nach der Anlage schaut – und das passiert oft nach einem schweren Sturm oder einem Gewitter – werden die Schäden entdeckt und dann mit den äußeren Einwirkungen des Sturmes in Verbindung gebracht. Als Sachverständiger hat man dann oft die undankbare Aufgabe, den Betreiber darüber zu informieren, dass es sich bei solchen Schäden um Allählichkeitsschäden handelt, die in der Regel nicht von den Versicherungen getragen werden. Hier sind viel mehr die Modulhersteller am Zug, Stichwort “Leistungsgarantie”.
Der beschriebene Fehler ist aus meiner Wahrnehmung der mit Abstand am häufigsten auftretende Defekt, der an älteren Solarstromanlagen vorgefunden werden kann. Wie man ihn analysieren und finden kann, wurde hier im Blog in den folgenden Artikeln ausführlich beschrieben:

  1. Schleichende Ertragsminderung an Photovoltaikanlagen
  2. Hagelschaden oder offene Zellverbinder
  3. Von Lichtbögen und Brandursachen an Photovoltaikanlagen
  4. Zu wenig Leerlaufspannung im Solarmodulstrang, woran liegt es ?

2. Isolationsfehler

In einem frühen Stadium lässt sich das Problem durch die Beleuchtung des Moduls mit einer hellen LED Lampe erkennen.

Ein weiteres, sehr oft auftretendes Problem sind sogenannte Isolationsfehler. Wenn einzelne Wechselrichter in einer Anlage morgens später zuschalten als andere und dieses späte Zuschalten insbesondere dann auftritt, wenn es zuvor geregnet hat, dann handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um Isolationsfehler. Da dieses Problem hier bereits in vielen Artikeln ausführlich behandelt wurde, möchte ich mich an dieser Stelle auf eine Linkliste zu den einzelnen Artikeln zum Thema ISO-Fehler beschränken und insbesondere auf den ersten Artikel der nachfolgenden Liste verweisen:

  1. Isolationsfehler an PV-Anlagen systematisch finden
  2. Isolationsfehler an Photovoltaikanlagen
  3. Messung des Isolationswiderstandes an Photovoltaikanlagen

3. Strangunterbrechungen

Gleichstromleitung durch Marderbiss zerstoert

Ebenfalls ein Fehler der öfter mal vorkommt sind Strangunterbrechungen. Dies kann durch Tierbiss vorkommen oder durch nicht fachgerecht verschlossene Steckerverbindungen. Festgestellt werden diese Probleme in der Regel dadurch, das man bei der Wiederholungsprüfung an einem Modulstrang eine Leerlaufspannung von 0V misst. Bei einem guten Online Monitoring fällt es selbstverständlich ebenfalls auf, wenn an einem MPP Tracker eines Wechselrichters plötzlich eine kleinere spezifische Leistung gemessen wird als am Nachbareingang. Das Auftreten von Strangunterbrechungen hat bei uns sogar mal zur Entwicklung eines kleinen Werkzeugs geführt, um diese schnell und effizient zu finden. Insbesondere, wenn die Strangunterbrechung in einer Anschlussdose passiert, ist die Anwendung des pvTectors (so heißt das Gerät) sehr hilfreich, da man die Unterbrechung damit finden kann, ohne jede einzelne Moduldose öffnen zu müssen. Wenn es vor dem Wechselrichter noch einen GAK gibt (Gleichstromanschlusskasten) oder wenn sich im Eingang des Wechselrichters noch DC Sicherungen befinden, kann der Fehler  eines fehlenden Stranges auch daran liegen, dass sich eine Strangsicherung verabschiedet hat. Die sollten im Rahmen einer Funktionsprüfung in jedem Fall immer mit überprüft werden.
In diesem Artikel steht, wie man am besten vorgeht um Kabelunterbrechungen im Modulstrang zu finden: Kabelunterbrechungen an Solarstromanlagen finden

4. Zellbrüche

Das Bild zeigt die Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls mit einem für Hagelschäden typischen Spinnenriss.
Das Bild zeigt die Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls mit einem für Hagelschäden typischen Spinnenriss.

Zellbrüche gehören zu den meist unerkannt bleibenden Fehlern an Solarmodulen, da man winzige Brüche in den Zellen, sogenannte Microcracks in aller Regel mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Wenn sich an der Stelle des Bruches nicht gerade sogenannte Schneckenspuren bilden, die man sehen kann, werden Zellbrüche erst dann gefunden, wenn die Mindererträge der PV-Anlage so gravierend geworden sind, dass eine Elektrolumineszenz-Untersuchung durchgeführt wird, um den Problemen auf die Spur zu kommen. Zellbrüche treten oft beim Transport und bei der Montage auf, ganz oft werden diese aber auch erst verursacht nachdem die PV-Anlage schon in Betrieb ist, zum Beispiel durch Begehen der Module zu Reinigungszwecken. Ein weiterer Grund für Zellbrüche sind Hagelschäden. Nach schweren Hagelunwettern sieht man oft nur wenige Glasschäden, während bei benachbarten Modulen zwar die Gläser in Ordnung sind, dafür aber die Zellen erhebliche Bruchmuster aufweisen. Es führt zwar nicht jeder Zellbruch direkt zu einer gravierenden Leistungsminderung, wenn jedoch ganze Zellteile vom Rest der Zelle abgetrennt wurden und dies in großem Umfang, kann die Restzelle nur noch einen Bruchteil des ursprünglichen Stromes liefern. In der Folge ist der gesamte Substring in dem sich die Zelle befindet in seiner Leistung gemindert. Einzelne Mikrorisse ohne Zellabrisse hingegen wirken sich auf den Ertrag einer Photovoltaikanlage nicht aus.  Der Ertragsverlust durch stehende Wechselrichter oder ausgefallene Stränge fällt da viel mehr ins Gewicht als ein leichter Hagelschaden. Zur Untersuchung von Zellbrüchen eignet sich besonders die schon weiter oben verlinkte Methode der Outdoor-Elektrolumineszenz.

5. Kurzgeschlossene Bypassdioden

Das Bild zeigt eine Elektrolumineszenzaufnahme einer Photovoltaikanlage nach einem Überspannungsereignis. Ein Großteil der Bypassdioden sind kurzgeschlossen.
Das Bild zeigt eine Elektrolumineszenzaufnahme einer Photovoltaikanlage nach einem Überspannungsereignis. Ein Großteil der Bypassdioden sind kurzgeschlossen.

Einer der typischen Fehler an Photovoltaikanlagen nach schweren Gewittern sind kurzgeschlossene Bypassdioden.  Bypassdioden dienen in Solarmodulen dazu, die Solarzellen im Falle einer Teilverschattung vor einer Überhitzung zu bewahren. Eingesetzt werden in modernen Solarmodulen in der Regel 3 sogenannte Schottky Dioden, die jeweils einen Substring überbrücken. Wem die Begriffe Substring, Bypassdioden und Modularchitektur noch nichts sagen, der sei auf den Grundlagenteil eines unserer Fehlersuche Seminare verwiesen. Dort werden diese Begriffe ausführlich erläutert.  Wie jede Diode haben auch die Bypassdioden in Solarmodulen eine maximal zulässige Sperrspannung. Diese liegt in aller Regel um die 80V. Steigt die Spannung über der Diode mal auf höhere Werte, oder bekommt sie einen zu großen Strom ab, so ist der Halbleiter durchkontaktiert und verhält sich wie eine Drahtbrücke. In der Folge fließt in dem betroffenen Substring dauerhaft ein Kurzschlussstrom, der zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Zellen des Substrings führt. Diese ungleichmäßige Wärmeentwicklung führt dann auch gleich zur Diagnosemethode der Wahl bei diesem Fehler, nämlich zur Thermographie. Kurzgeschlossene Bypassdioden und die Methoden der Diagnose waren immer mal wieder Thema hier im Blog:

  1. Kurzgeschlossene Bypassdioden an Photovoltaikanlagen finden
  2. Der BypassdiodenCheck Teil 2
  3. Wodurch werden Bypassdioden zerstört, Teil 1 Überspannung

6. offene Bypassdioden

Das Bild zeigt ein Modul, bei dem die mittlere Bypassdiode nicht korrekt verlötet war. Das Modul war Teilverschattung ausgesetzt.
Das Bild zeigt ein Modul, bei dem die mittlere Bypassdiode nicht korrekt verlötet war. Das Modul war Teilverschattung ausgesetzt.

Vor einigen Jahren zählten die offenen Bypassdiodenstrecken noch zu den eher seltenen Phänomenen. Mal hatte man eine Charge mit B-Ware-Modulen untersucht, bei der skurrilerweise überhaupt keine Bypassdioden eingebaut waren (es gibt nichts, was es nicht gibt 🙂 ), manchmal hat man bei einem schweren Überspannungsschaden mit sehr vielen kurzgeschlossenen Bypassdioden auch die ein oder andere offene Bypassdiode gefunden. Gerade in letzter Zeit (Stand Anfang 2023) häuft sich das Problem allerdings. Alleine im letzten Jahr haben wir einige offenen Bypassdiodenstrecken an nagelneuen Solarmodulen gefunden. Hier gab/gibt es offenbar bei einigen Herstellern ein Qualitätsproblem mit dem Verlöten der Bypassdioden, so dass diese in manchen Fällen nicht kontaktiert werden. Das Problem darf man nicht auf die leichte Schulter nehmen. Wie bereits beschrieben, dienen die Bypassdioden als Überhitzungsschutz für die Zellen. Insbesondere die modernen PERC-Zellen erreichen im Verschattungsfall noch höhere Temperaturen als die konventionellen älteren Zellen, so dass diese so heiß werden können, dass sich die Folie entzünden kann.  Die nachfolgend aufgelisteten Artikel beschäftigen sich mit dem Aufspüren von offenen Bypassdiodenstrecken.

  1. Bypassdioden Check Teil 1
  2. Bypassdioden Check Ergänzung

7. PID – Potenzial Induzierte Degradation

Das Bild zeigt eine Elektrolumineszenzaufnahme einer PV-Anlage die vom PID Effekt betroffen ist.
Das Bild zeigt eine Elektrolumineszenzaufnahme einer PV-Anlage die vom PID Effekt betroffen ist.

Zu Glück können wir das Problem der PID mittlerweile in unserer Rangliste der häufigsten Probleme an Photovoltaikanlagen an der letzten Stelle aufführen. Die “Potenzial Induzierte Degradation” hat die Solarbranche in den letzten 10 Jahren sehr beschäftigt und bei vielen PV-Anlagen zu immensen Ertragsminderungen geführt. Inzwischen tritt der Effekt seltener auf und die Modulhersteller werben mit PID-freien Modulen. Der Effekt macht sich durch stark nachlassende Energieerträge bemerkbar und verändert je nach Zelltyp (P-Type oder N-Type) das negative bzw. das positive Strangende, so dass die Solarmodule am jeweils betroffenen Strangende eine stark geminderte Spannung (sowohl im Leerlauf als auch im MPP) aufweisen. Diagnostiziert wird die PID in aller Regel mit der Methode der Outdoor-Elektrolumineszenz aber auch erfahrene Drohnenthermographen können PID mit Hilfe der Thermographie diagnostizieren. Die nachfolgend gelisteten Artikel hier im Blog beschäftigen sich mit diesem Problem:

  1. Potenzial induzierte Degradation an Photovoltaikmodulen
  2. Methoden zur Erkennung von PID

Fehlersuche schneller und effizienter gestalten

Ich hoffe sehr, dieser Überblick hilft Ihnen bei der täglichen Fehlersuche an PV-Anlagen ein wenig weiter und macht die ein oder andere Fehlersuche etwas weniger quälend und langatmig. Für alle die Lust haben sich etwas intensiver mit diesem Themengebiet zu beschäftigen möchte ich noch den Hinweis zu unseren regelmäßig stattfindenden Fehlersuche-Seminaren geben, die seit Neustem auch zweimal im Jahr als Webinarreihe angeboten werden.

Ich wünsche allen PV-Kollegen aus dem Service-Bereich eine effiziente, schnelle Fehlersuche und allen PV-Betreibern gut laufende PV-Anlagen mit hohen Energieerträgen.

Kommentare

  1. Hierzu kann ich die Seminarreihe Teil 1-5 wärmstens empfehlen, weil da genau diese Fehlerursachen (und noch viel mehr) ausführlich erläutert werden. Zudem bleibt niemand auf seinen Fragen sitzen. Empfehlenswert für Erfahrene und Neulinge wie mich..

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