Kurzschluss am Solargenerator hilft bei Fehlersuche

Ich habe hier im Blog ja inzwischen einige Verfahren beschrieben, mit denen man – dachte ich – so ziemlich jeden Fehler der an einer Photovoltaikanlage auftreten kann, entdecken und lokalisieren kann. Doch dann kam mal wieder so eine “harte Nuss” bei der es mehrere Anläufe brauchte, um der Ursache der Minderleistung auf die Spur zu kommen. Grund genug einen Blogartikel darüber zu schreiben, der sich – wie die Einleitung schon vermuten lässt – an die “Tech-Freaks” unter den Lesern richtet.

Die Situation war wie folgt: In einer Anlage mit insgesamt 3 Wechselrichtern, an denen jeweils ein Strang angeschlossen ist, zeigte ein Wechselrichter gelegentlich eine starke Leistungseinbuße im Vergleich zu den anderen beiden Wechselrichtern. Der aufmerksame Betreiber der Anlage schilderte die Situation so, dass der Fehler besonders an schönen Sonnentagen auftrete und dann ein Wechselrichter nur noch etwa 500W einspeiste, während sein Nachbarwechselrichter bei gleicher Beschaltung noch 3 kW liefere.
Da uns die Erfahrung der letzten Jahre gezeigt hat, dass man die meisten Probleme an PV-Anlagen am Besten nachts mit Hilfe einer Elektrolumineszenzuntersuchung ans Licht befördern kann, haben wir zunächst unseren Standard PV-Check durchgeführt. Die Untersuchung der Module ergab jedoch keine besonderen Auffälligkeiten.

Elektrolumineszenzaufnahme von Strang 1
Elektrolumineszenzaufnahme von Strang 1

Wir haben weder defekte Bypassdioden noch PID oder hochohmige Zellverbinder entdecken können. Offene Verbindungen von der Anschlussdose ins Modul schieden zunächst auch aus, da wir sonst ja keinen Rückstrom in die Module hätten speisen können. Ich habe diesen Fehler, der tagsüber auch zu einer geringeren Leerlaufspannung des betroffenen Stranges führt hier mal beschrieben. Schaubild-defekter-Zellverbinder_.jpg
Nach dieser ersten Analyse blieben eigentlich nur noch zwei Möglichkeiten: Entweder es lag vielleicht am Wechselrichter, der möglicherweise ein Temperaturproblem hatte oder es lag doch am Solargenerator aber der Fehler war auch hier nur bei höheren Temperaturen zu sehen. Da die Temperaturen nachts naturgemäß etwas niedriger sind, haben wir bei unserem ersten Check nichts finden können. Ich habe dem Kunden daraufhin empfohlen, mal die Modulstränge an den Wechselrichtern zu tauschen, das heißt den Modulstrang von Wechselrichter 1 an Wechselrichter 2 anzuschließen und umgekehrt. Dadurch lässt sich auf jeden Fall zweifelsfrei feststellen, ob das Problem vom Dach oder vom Wechselrichter kommt. Das Ergebnis war, dass der Wechselrichter nicht die Ursache war. Das Problem wanderte mit und trat nun am anderen Wechselrichter auf. Es hatte also eindeutig seine Ursache an den Modulen oder der Gleichstromleitung vom Dach zum Wechselrichter.
Ich habe daraufhin beschlossen einen zweiten Ortstermin zu machen, diesmal tagsüber, bewaffnet mit einem Kennlinienmessgerät, einer Thermographiekamera und dem pvServe. Es wurde ein heißer Sommertag gewählt, an dem das Problem ab etwa 11:00 Uhr Vormittags auftrat. Ich hatte zunächst die Vermutung, dass es sich doch um eine offene Verbindung zwischen Moduldose und den Zellen handeln könnte, die womöglich temperaturabhängig war. Das hätte dann allerdings im Thermogramm eindeutig sichtbar sein müssen (dachte ich zumindest). Zur Erinnerung: Wenn eine Verbindung offen ist, ist der entsprechende Teil des Moduls im Leerlauf und wird über die Bypassdiode überbrückt. Dies hat zwei Effekte zur Folge. Zum einen wird die Bypassdiode des betroffenen Moduls etwas wärmer, zum anderen ist der Teil des Moduls, der sich im Leerlauf befindet etwas (ca. 2K) wärmer als der Teil, der im MPP (Maximum Power Point) betrieben wird (siehe hier). Man hätte den Fehler also auf der Thermographieaufnahme eindeutig erkennen müssen. Das war allerdings nicht der Fall. Das Knobeln ging weiter, bis mir schließlich bewusst wurde, dass beide Wechselrichter, derjenige mit dem intakten Modulstrang und der mit dem problembehafteten Strang die gleiche DC Spannung angeregelt hatten. Es handelte sich um trafolose Wechselrichter ohne DC/DC Wandler im Eingang und beide bewegten sich an ihrer unteren Spannungsgrenze (Umppmin) bei ca. 350V.
Der nächste Schritt war nun die Messung der Kennlinien beider Modulstränge. Hier zeigte sich, dass der problembehaftete Strang eine deutlich niedrigere Leerlaufspannung aufwies, als der intakte Strang. Der Verlauf der Kennlinien zeigte außerdem im Bereich der Leerlaufspannung eine Auffälligkeit.

Kennlinien-offene-Zellverbinder
Die Kennlinien der beiden Stränge unterscheiden sich deutlich, trotz gleicher Modulanzahl pro Strang. Man erkennt außerdem im Bereich der Leerlaufspannung eine Auffälligkeit an beiden Kennlinien

Es war damit klar, dass der problembehaftete Strang auch eine deutlich niedrigere MPP Spannung haben musste als der intakte Strang. Es konnte definitiv nicht korrekt sein, dass beide Wechselrichter die gleiche Spannung von 350V angeregelt hatten oder anders ausgedrückt: Der fehlerhafte Strang konnte vom Wechselrichter nicht mehr im MPP betrieben werden, weil dieser bereits an seiner unteren Einspeisegrenze arbeitete. Der Strang war fast im Leerlauf (0,5A anstatt 5,5A). Das erklärte schließlich auch, warum auf der Thermographieaufnahme nichts zu sehen war. Der Temperaturunterschied zwischen Zellen die im Leerlauf sind und solchen die einen Strom von 0,5A liefern ist so gering, dass man ihn mit der Thermographiekamera nicht mehr ohne weiteres erkennen kann. Es lag also nahe, dass doch mehrere Unterbrechungen von den Modulanschlussdosen zu den Zellen vorlagen. Den endgültigen Beweis erbrachte der Versuch mit dem pvServe rückwärts in den fehlerhaften Strang einzuspeisen. Was nachts noch problemlos funktioniert hatte, ging nun nicht mehr. Selbst bei einer Spannung von 1000V flossen 0A. Es gab also definitiv mindestens eine Unterbrechung und die Bypassdioden waren offenbar auch dazu in der Lage die 1000V zu sperren ohne durchzubrechen.
Damit war die Fehlerursache schon mal erkannt. Es handelte sich also definitiv um offene Verbindungen. Nun blieb allerdings nach wie vor die Aufgabe, die betroffenen Module zu lokalisieren. Da der Wechselrichter ja ,wie oben beschrieben, leider bereits an seiner unteren Spannungsgrenze lief, ließ sich der Strang mit den defekten Modulen nicht mehr in den MPP bringen. Daraufhin habe ich eine neue, bis dahin noch nicht verwendete Methode erprobt, die glücklicherweise auch das erwünschte Ergebnis gebracht hat. Um die Methode zu verstehen, muss man wissen, dass Solarmodule die kurzgeschlossen sind in der Thermographieaufnahme ein typisches “Schachbrettmuster” zeigen, bei dem einige Zellen deutlich wärmer werden als andere. Warum dies so ist, habe ich in diesem Artikel hier im pvKnowHow Blog mal ausführlich beschrieben. Schließt man nun den gesamten Modulstrang kurz, so sieht man dieses “Schachbrettmuster” überall dort, wo ein Strom fließt. Dort wo die Verbinder zwischen der Anschlussdose und den Zellen offen sind kann aber kein Strom mehr fließen und folglich kann sich dort auch nicht das typische Muster einstellen. Statt dessen haben die Zellen dort eine gleichmäßige Temperatur. Man kann die defekten Module also dadurch lokalisieren, dass man den gesamten Strang kurzschließt und die Module oder Modulteile, bei denen im Thermogramm eine gleichmäßige Zelltemperatur auftritt, haben eine Unterbrechung und müssen repariert werden. Die Module bzw. Modulteile hingegen, die das typische Schachbrettmuster zeigen, sind in Ordnung.

kurzgeschlossener Strang kommentiert
Defekte Module erkennt man daran, dass jeweils mindestens die Hälfte des Moduls keine stärker erwärmten Zellen aufweist. (Die Module haben nur 2 Bypassdioden)

defekte Module-kommentiert II
Gedacht getan … Wie die Thermogramme zeigen, hat die Methode gut funktioniert um die schadhaften Module zu finden.
Am Schluss sei noch erwähnt, dass man den Kurzschluss über den Solargeneratorstrang bei voller Einstrahlung nur mit einem DC Schalter machen darf, der das volle Lastschaltvermögen aufweist, dass heißt der Schalter muss den vollen Kurzschlusstrom der Module auftrennen können und anschließend die volle Leerlaufspannung des jeweiligen Stranges aufnehmen können. Schafft der Schalter das nicht besteht die Gefahr eines Lichtbogens mit der entsprechenden Brandgefahr. Daher sollte man bei der Nachahmung der beschriebenen Methode wissen was man tut und einen entsprechenden Schalter einsetzen.

Das Beispiel bestätigt einmal mehr die Erkenntnis, dass es nicht die “Eine” Untersuchungsmethode gibt, um Fehler an Solargeneratoren zu effektiv zu finden. Es ist viel mehr die Kombination der verschiedenen Methoden, kombiniert mit ein wenig Lust am detektivischen Vortasten, die schließlich zum Erfolg führt.

Kommentare

  1. Hallo Herr Diehl,

    wo sucht man einen Fehler wenn die Anlage mit 23 Modulen bei voller Einstrahlung 450V Leerlaufspannung aufweist und beim Zuschalten des Wechselrichters am Trennschalter die Spannung auf 2,5V zusammenbricht?

    ( Ich habe zu Testzwecken immer 3 Module IK 110 an eine 30V 300W Hallogenbirne angeschlossen. Auch dort fällt die Spannung um über 2/3 ab aber das Leuchtmittel leuchtet!
    Wenn alle Module in Reihe geschaltet sind und am Wechselrichter hängen regt sich nichts!
    Am Trennschalter erkennt man allerdings beim Trennen einen Lichtbogen.
    Der Wechselrichter meldet zu geringe Startspannung )
    Könnte Dieser defekt sein, vor einigen Wochen schwankte die Einspeisung nach unten mit steigender Einstrahlung.
    Vor einen Jahr stellte ich dort 2 defekte Module an den Schraubklemmen fest!

  2. Hallo, Kaco repariert diese Geräte nicht mehr… Ich könnte Ihnen weiter helfen, wir reparieren diese, haben auch At Geräte verfügbar.
    Ich hatte ein ähnliches Problem zuletzt auch, hier waren 3 Module defekt, Zellverbinder und Dioden, warum im Leerlauf aber
    Spannung kam ist mir noch nicht ganz klar, habe die Module momentan im Lager und werde mich hier mal austoben.

    1. Ich hatte neulich auch einen Fall, bei dem man eine Leerlaufspannung messen konnte, dann aber nachts weder Rückstrom, noch Vorwärtsstrom durch den Modulstrang treiben konnte. Das ist nur dadurch zu erklären, dass die Diodenstrecken an manchen Stellen offen sind und an anderen Stellen die Zellverbinder offen sind. Tagsüber kommt dann noch eine Spannung, während nachts nichts mehr geht…

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Bitte geben Sie folgende Zeichen ein: *