Elektrolumineszenz zur Qualitätssicherung von Photovoltaikanlagen

Es ist mittlerweile schon wieder 8 Jahre her, seit dem ich hier im Blog zum ersten Mal über die Methode der Elektrolumineszenzuntersuchung im Feld, der sogenannten Outdoor Elektrolumineszenz, berichtet habe. In der Zwischenzeit hat sich viel getan und die Methode hat sich mittlerweile als Standardmethode zur Fehleranalyse an Photovoltaikmodulen etabliert. Grund genug mal wieder einen aktuellen Überblick darüber zu geben,  was man mit der Methode genau erreichen kann, wann sie typischerweise eingesetzt wird und wie gut die Untersuchungsergebnisse aussehen können, wenn man es auf die Spitze treibt.

Bevor ich zwei Praxisbeispiele vorstelle, bei denen PV-Anlagen mit der Elektrolumineszenzmethode (kurz EL) untersucht wurden, möchte ich die Diagnosemethode zunächst nochmal kurz vorstellen und einordnen. Was kann man damit erreichen, wann wird sie typischerweise eingesetzt und wo liegen die Grenzen der EL im Feld ?

Die Elektrolumineszenz kann, zum Erreichen der hier weiter unter vorgestellten Qualität der EL-Aufnahmen, nur nachts durchgeführt werden. Damit ist gleich zu Beginn schon ein wesentlicher Nachteil genannt. Zum Durchführen der Tests ist Nachtarbeit angesagt und man muss irgendwie nachts Zugang zu der zu untersuchenden Anlage bekommen.
Im Zuge der Messungen wird jeder Solarmodulstrang dessen Qualität man überprüfen möchte rückwärts bestromt, dass heißt es wird eine Spannung an den Modulstrang angelegt, die bei ca. 650mV/Zelle liegt. Die Polarität der Spannung ist die gleiche wie die, die der Strang tagsüber durch Sonnenlicht erzeugt. Bei einem Modulstrang mit 20 Solarmodulen mit 120 Halfcut Zellen benötigt man daher eine Spannung von 60*20*0,65V = 784V. Dazu muss man wissen, dass bei den modernen Solarmodulen mit 120 Halbzellen jeweils 60 Zellen in Reihe geschaltet werden und jeweils immer 2 Substrings parallel liegen. Wem das hier zu kompliziert klingt, der oder die möge sich nochmal genau die Modularchitektur solcher Solarmodule auf dem Datenblatt oder im Modulhandbuch anschauen. Die 784 V reichen dann aus, um ungefähr 3,5 A rückwärts durch die Solarzellen zu schicken. Benötigt wird dazu ein Netzteil, das entsprechend hohe Spannungen produzieren kann und das möglichst auch tragbar und für den Außeneinsatz geeignet ist.

Der beschriebene Rückwärtsstrom bewirkt dann eine Emission von unsichtbarer elektromagnetischer Strahlung im Nahinfrarotbereich NIR. Diese Strahlung wiederum kann von speziell dafür vorgesehenen Kameras aufgenommen werden und die dabei entstehenden Aufnahmen liefern wertvolle Informationen über den Gesundheitszustand der untersuchten Solarmodule bzw. Solarzellen. Soweit die Kurzfassung der Beschreibung dessen, was EL eigentlich ist.

Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls in einem Solarpark ohne Hilfsmittel aufgenommen.
Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls in einem Solarpark ohne Hilfsmittel aufgenommen.

Dunkle Zellen deuten bei der Interpretation dieser Aufnahmen dann auf Bereiche der Solarmodule hin, die auch tagsüber, bei der Stromerzeugung, weniger effizient sind und helle Zellen deuten auf leistungsstarke Bereiche hin. Mit der Elektrolumineszenz lassen sich selbstverständlich auch alle Modulbereiche finden, die komplett inaktiv sind, da z.B. aufgrund eines Überspannungsereignisses die Bypassdioden des entsprechenden Substrings kurzgeschlossen sind.

Durch die Detailtreue der EL-Aufnahmen ist diese Methode quasi zur Königsdisziplin bei der Qualitätsuntersuchung von PV-Anlagen im Feld geworden. Doch wie es immer ist im Leben, kommen diese Vorteile natürlich auch mit Nachteilen daher. Der wichtigste Nachteil, die Nachtarbeit wurde oben schon genannt. Außerdem wäre aufzuführen, dass die Elektrolumineszenz in aller Regel strangweise durchgeführt wird. Man muss also jeden Modulstrang am Gleichstromanschlusskasten (GAK) oder am Wechselrichter auftrennen, um anschließend den Rückstrom in den betreffenden Modulstrang einspeisen zu können. Dann muss man dafür sorgen, dass die EL-Kamera in eine Position gelangt, aus der auch eine vernünftige EL-Aufnahme gemacht werden kann. Bei Dachanlagen kommen hier ganz häufig Hubsteiger zum Einsatz, um den Kameramann möglichst nahe an die Solarmodule heranzubringen.  Diese Steiger müssen natürlich auch irgendwo platziert werden können. Gelingt dies nicht, wie es zum Beispiel bei kleineren Hausdachanlagen oft der Fall ist, muss ein Hochstativ verwendet werden, um die Kamera in luftige Höhen zu befördern. Einige Kollegen hängen die EL-Kamera sogar schon unter ihre Drohne um die Kamera schnell an die ideale Position zu befördern. Eine entscheidender Vorteil der EL, die hohe Bildqualität der EL-Aufnahmen, leidet allerdings dann unter den etwas kürzeren Belichtungszeiten, die beim Betrieb unter einer Drohne notwendig werden.

In Freilandanlagen sieht man mittlerweile immer häufiger große Modultische, bei denen 3-4 Solarmodule hochkant übereinander montiert werden. Wenn jedes Modul schon über 2m lang ist, kommt man dann auch in Parks sehr schnell auf 8 m tiefe Modulfelder. Wenn man auch die oberen Modulreihen noch mit einer guten Qualität untersuchen will, ist dann schon etwas Erfindungsgeist gefragt. Wir hatten in diesem Frühjahr das Vergnügen zwei Solarparks gemeinsam mit Thomas Reusch vom Messflugservice  untersuchen zu dürfen. Thomas ist ein langjähriger Partner und immer für neue Ideen gut, wie man die oben beschriebene Aufgabe in größeren Solarparks meistern kann. Die Qualität der erzielten Resultate hat mich persönlich so begeistert, dass ich hier an dieser Stelle gerne mal darüber berichten möchte.

Im ersten Park wurde mit einem rollbaren Hochstativ gearbeitet an dessen Spitze sich ein Gimbal befand, mit dem man die EL-Kamera ferngesteuert in alle Raumrichtungen bewegen kann. Ein sogenannter Followfocus hilft außerdem dabei die Kamera oben am Mast zu fokussieren. Ferngesteuert wurde die Kamera über ein Tablet auf dem auch die Aufnahmequalität kontrolliert werden konnte.

Das Bild zeigt das Hochstativ im Einsatz zur Aufnahme der oberen Modulreihe.
Das Bild zeigt das Hochstativ im Einsatz zur Aufnahme der oberen Modulreihe. Es wurden immer 3 Module gleichzeitig aufgenommen.
Das Bild zeigt die Entstehung der EL-Bilder, die mit Hilfe eines Hochstativs aufgenommen wurden.
Das Bild zeigt die Entstehung der EL-Bilder, die mit Hilfe eines Hochstativs aufgenommen wurden.

Auf diese Weise entstanden gute Einzelaufnahmen der Solarmodule. Damit später dann eine einfache Zuordnung der gefundenen Auffälligkeiten zur jeweiligen Modulposition vorgenommen werden konnte, wurden die gewonnenen Aufnahmen mit einer aufwändigen Bildbearbeitung zu einem kompletten Modulfeld zusammengefasst. Die so entstehende Aufnahme wird dann zwar recht groß, hat aber eine tolle Detailtiefe, die kaum noch Qualitätswünsche offen lässt.

Das Bild zeigt die EL-Aufnahme eines kompletten Modultisches, zusammengesetzt aus mehreren Einzelaufnahmen.
Das Bild zeigt die EL-Aufnahme eines kompletten Modultisches, zusammengesetzt aus mehreren Einzelaufnahmen.
Das Bild zeigt einen Zoom in die vorherige Übersichtsaufnahme.
Das Bild zeigt einen Zoom in die vorherige Übersichtsaufnahme.

In der Übersichtsaufnahme sieht man genau, wo das jeweilige Solarmodul im Feld liegt und in der Nahaufnahme kann man sehr gut noch bis auf die Zellebene Details erkennen. Man mag zwar kritisieren, dass auf diesen Aufnahmen noch nicht jeder winzige Mikroriss zu sehen ist, wie es bei einer Laboraufnahme der Fall wäre, die ertragsrelevanten Probleme, auf die es ja schließlich ankommt, sieht man aber auf jeden Fall.

Bei einem weiteren Projekt, das hier kurz vorgestellt werden soll waren die Modultische noch flacher geneigt, so dass selbst mit dem Hochstativ die Abstände zu den Solarmodulen etwas zu groß waren. Hier kam eine weitere Spezialkonstruktion von Thomas Reusch zum Einsatz, mit der ein Stativaufsatz über die Modulrahmen gerollt werden konnte.  Wer hier zunächst zusammenzuckt und Bedenken hat, dass man dadurch eventuell die Zellen schädigt kann beruhigt werden. Das Gestell ist ultrasoft über die Modulrahmen geglitten und hat definitiv keinen Schaden angerichtet. Es handelte sich um einen Sturmschaden und Ziel der Untersuchung war es herauszufinden, ob neben den Solarmodulen die weggeflogen waren, noch weitere Module in Mitleidenschaft gezogen worden waren.

Das Bild zeigt die Spezialkonstruktion eines rollbaren Hochstativs zur Erstellung hochqualitativer Elektrolumineszenzaufnahmen, diesmal aufgenommen mit einer normalen Kamera.
Das Bild wurde ebenfalls mit einer EL-Kamera gemacht und zeigt das Spezial -Rollstativ im Einsatz.
Das Bild wurde ebenfalls mit einer EL-Kamera gemacht und zeigt das Spezial -Rollstativ im Einsatz.

Das Ergebnis konnte sich ebenfalls sehen lassen. Alle Module konnten untersucht werden und kleinere Schäden durch die herabfallenden Module konnten eindeutig festgestellt und lokalisiert werden.

Das Bild zeigt wieder eine EL-Panoramaaufnahme, aus der die Lage der einzelnen geschädigten Solarmodule eindeutig hervorgeht.
Das Bild zeigt wieder eine EL-Panoramaaufnahme, aus der die Lage der einzelnen geschädigten Solarmodule eindeutig hervorgeht.
Das Bild zeigt den Detailausschnitt des Moduls, das in der obigen EL-Panoramaaufnahme gekennzeichnet wurde.
Das Bild zeigt den Detailausschnitt des Moduls, das in der obigen EL-Panoramaaufnahme gekennzeichnet wurde.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Elektrolumineszenzmethode mittlerweile von immer mehr Projektentwicklern und Betreibern von Photovoltaikanlagen als Instrument der Qualitätssicherung erkannt und genutzt wird. In Kombination mit der Dunkelkennlinienmessung zur Vordiagnose auffälliger Modulstränge, bietet sich hiermit eine ideale Lösung, um mit bezahlbarem Aufwand eine Qualitätskontrolle an bestehenden PV-Anlagen zu machen, ohne dafür extra die Module demontieren zu müssen. Insbesondere bei der Erstinbetriebnahmeprüfung, beim Gewährleistungsende und beim Eigentumsübergang von PV-Anlagen wird diese Methode immer häufiger genutzt. Wenn man Aufnahmen dieser Qualität nach der Erstinbetriebnahme erstellt hat, können dann auch künftige Schäden sehr leicht durch eine Wiederholungsprüfung und ein Vergleichen der EL-Aufnahmen durchgeführt werden. Diskussionen mit Versicherungen darüber, ob ein festgestellter Schaden auf ein kurz zurückliegendes Hagelereignis oder schon auf die Montage zurückzuführen ist, dürften damit der Vergangenheit angehören.

 

 

 

 

Kommentare

  1. Hallo Herr Diehl,

    Interessant allemal. Mir als, notgedrungen immer, betriebswirtschaftlich denkender PVler, kommt da sofort die Frage der Kosten und deren Übernahme. Versicherungen ist optimal, denn da haben beide Parteien was davon. Sonst, gerade beim EIB, geht es ja meist nur mit zufällig ausgesuchten Modulen, die in entsprechende Labore gesandt werden. Bei Garantieende ist es schon heikel, da in den Jahren dazwischen so viel passiert, dass man es mit der normalen Degradation vergleichen muss. Und gerade in MW Parks ist es eine Aufgabe inkl. der Auswertung. Haben da einiges erlebt. Und ich habe immer noch das Gefühl, dass viele Eigentümer sämtliche zusätzlichen Kosten nicht einkalkuliert und somit nicht tragen wollen. Ganz schlimm, wenn es Kapitalsammelstellen sind. Denn dann kann eine Rendite sinken, und dies will keiner mehr im Nachhinein erklären.
    Wenn, dann sollte man diese Kosten als Rückstellungen von Anfang an bilden. Sinn hätte es wohl.

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