In diesem Artikel möchte ich mich mal wieder mit der Methode der Dunkelkennlinienmessung beschäftigen, die ich bereits einmal in einem älteren Artikel thematisiert hatte. Für diejenigen, die von dieser Methode noch nie etwas gehört haben, wird das Verfahren hier zur Einführung nochmal kurz erklärt. Das eigentliche Thema des Artikels ist allerdings die Bestimmung der Genauigkeit, mit der man Fehler auf der Dunkelkennlinie finden kann.

Dunkelkennlinien messen

Die Methode der Messung von Dunkelkennlinien von Solargeneratoren ist eine Methode, die mit einem externen Netzteil wie dem pvServe durchgeführt werden kann. Im Zuge der Messung werden bei Nacht Ströme verschiedener Größen in den  Solarmodulstrang  eingespeist. Während der Strom verändert wird, wird ständig der Strom und die zugehörige Spannung gemessen und aufgezeichnet. Stellt man die Messwerte in einem XY-Diagramm dar, indem die Spannung auf der X-Achse und der Strom auf der Y-Achse dargestellt wird, erhält man die Dunkelkennlinie. Dunkelkennlinien können sehr schnell, innerhalb weniger Sekunden, gemessen werden und lassen sich zur Erkennung vieler Fehler nutzen.  Typischerweise werden Dunkelkennlinien im Vorfeld einer Elektrolumineszenzuntersuchung (EL) gemessen.  EL ist wesentlich aufwändiger und erfordert mehr Zeit pro gemessenem Modulstrang, als die Dunkelkennlinien, so dass man sinnvollerweise nur die Stränge mit einer auffälligen Dunkelkennlinie einer EL-Untersuchung unterzieht. Ausführlich habe ich hier schonmal über Dunkelkennlinien berichtet.

Welche Fehler kann man auf Dunkelkennlinien noch erkennen ?

In diesem Artikel soll nun mal näher untersucht werden, welche Fehler man auf einer Dunkelkennlinie noch erkennen kann. Es stellte sich die Frage, wie sich zum Beispiel eine gebrochene Solarzelle, die im EL-Bild dunkel erscheint auf die Dunkelkennlinie auswirkt.

Messaufbau

Um das herauszufinden, wurden 2 exakt gleiche Solarmodule angeschafft, die in Reihe geschaltet wurden, so dass beide Module vom selben Strom durchflossen wurden. Anschließend wurden vor, hinter und zwischen den Modulen Y-Stecker eingebaut, um die Spannung an den beiden Solarmodulen gleichzeitig mit 2 Multimetern messen zu können.

Das Bild zeigt die Spannungsdifferenz zwischen beiden Solarmodulen zu Beginn der Versuchsreihe. Die beiden Module wurden mit einem konstanten Strom von 3A bespeist, so dass beide Spannungen über dem Modulen in etwa gleich sind. Dann wurden an einem der beiden Module systematisch nacheinander einzelne Zellen zerstört, so dass die Zellen im EL-Bild komplett schwarz erschienen sind. Nach der Zerstörung jeder Zelle wurden die beiden Spannungen abgelesen und notiert.

Messreihe

Auf dem Bild oben erkennt man, dass zerstörte Zellen die Eigenschaft haben, dass sich deren Gegenspannung verringert. Das bedeutet es wird weniger Spannung benötigt, um den gleichen Strom durch die Zellen zu treiben. Da bei Butterfly-Modularchitekturen jeweils die Substrings parallel geschaltet sind, fließt in dem Substring mit den defekten Zellen ein etwas größerer Strom, was zu einer leicht erhöhten Elektrolumineszenz führt. Dies muss bei der Interpretation solcher EL-Aufnahmen berücksichtigt werden. Die dunkleren Zellen im intakten Substring werden nicht durch schlechtere Zellqualität, sondern lediglich durch eine unsymmetrische Stromaufteilung verursacht. Eine solche unsymmetrische Stromaufteilung stellt sich bei einzelnen zerstörten Zellen auch am Tag im normalen Betrieb des Moduls ein. So würde z.B. schon im Leerlauf, bei ausgeschaltetem Wechselrichter ein kleiner Ausgleichsstrom zwischen den beiden parallelen Substrings fließen, wenn einer der Substrings geschädigte Zellen enthält.

Messgeräte zur Erfassung der Dunkelkennlinien haben eine maximale Auflösung, die angibt, wie genau man die Spannung damit messen kann. Der pvServe z.B. misst die Spannung bei einer maximalen DC-Spannung von 1500V mit einer Genauigkeit im Bereich von 1,5V. Das bedeutet, dass Fehler auf der Dunkelkennlinie erst dann eindeutig aufgelöst werden können, wenn sie größer als 1,5V sind.

Ergebnisse

Im Ergebnis kann man sehen, dass eine einzelne zerstörte Zelle die Spannung des gesamten Moduls in etwa um ca. 100mV verringert, bei einem Rückstrom von 3,5A. In einem kompletten Modulstrang mit z.B. 26 Solarmodulen mit jeweils 60 in Reihe geschalteten Halbzellen, also bei einer Reihenschaltung von 1560 Zellen müssen demnach mindestens ca. 15 Zellen defekt sein (15 * 100mV = 1,5V), damit der Fehler auf der Dunkelkennlinie, in Anbetracht der Genauigkeit der Spannungsmessung des Netzteils überhaupt erkannt werden kann. Oder anders ausgedrückt: Es müssen mindestens ca. 1 % der Zellen im Strang geschädigt sein, damit man den Defekt an der Dunkelkennlinie erkennen kann.

Fazit

Man findet also nicht jede Kleinigkeit schon auf der Dunkelkennlinie, aber diese Kleinigkeiten sind letztendlich auch nicht relevant für die Leistung des Modulstranges. Sobald die Zerstörung von Zellen so gravierend ist, dass es leistungsrelevant wird, kann man die Probleme auch auf der Dunkelkennnlinie (im Vergleich zu einem unbeschädigten Modulstrang) erkennen.

Ich würde daher die These bestätigt sehen, dass man mit der Methode der Dunkelkennlinienmessung eine gute Vordiagnose machen kann, um zielsicher die am stärksten geschädigten Modulstränge in einer PV-Anlage sicher herauszufiltern, wenngleich man wissen muss, dass nicht jede defekte Solarzelle in einem kompletten Strang damit gefunden werden kann.

Danke für die Unterstützung

Mein Dank gilt Remy Wedig, von pvControl für die Unterstützung bei den Messungen.