Outdoor Elektrolumineszenz und Rückstromthermographie

Die Norm VDE 0126-23 regelt inzwischen, wie man eine Solarstromanlage bei der Inbetriebnahme überprüfen sollte. Messung der Leerlaufspannungen, der Kurzschlussströme und der Isolationswiderstände. Mit dem Benning PV-1 gibt es inzwischen auch ein Messgerät, das alle diese Messungen in einem Durchgang macht. Die gemessenen Werte werden aufgezeichnet und der Dokumentation beigelegt. Doch was geschieht dann? Werden die Daten auch ausgewertet oder werden sie einfach nur abgeheftet? Und wenn man sie auswertet, auf was muss sollte man achten? Die Spannung eines Solargenerators verändert sich zwar in erster Linie mit der Temperatur der Zellen, doch auch Einstrahlungsschwankungen führen zu leichten Spannungsschwankungen. Misst man eine größere Anlage mit vielen Modulsträngen, wird man daher immer Schwankungen zwischen den Spannungen der einzelnen Stränge feststellen. Doch wie groß dürfen diese Schwankungen eigentlich sein, damit man einen Fehler am betreffenden Modulstrang sicher ausschließen kann?

Ein typischer Defekt, der manchmal auch bei nagelneuen Modulen festgestellt werden kann, sind kurzgeschlossene Bypassdioden. Wenn eine Bypassdiode durch eine Überspannung kaputt geht, verursach sie meistens einen Kurzschluss über den Teilstrang des betroffenen Moduls. Da in den meisten Solarmodulen 3 Bypassdioden eingebaut sind, kann also bereits eine Spannungsdifferenz, die der Leerlaufspannung eines Drittel Moduls entspricht, auf einen Fehler hindeuten. Es kann aber auch sein, dass im Moment der Messung lediglich die Einstrahlung etwas geschwankt hat oder die Temperatur des auffälligen Stranges etwas höher war, als die des vorher gemessenen.

Die einzig brauchbare Methode, diesen vielen Einflussfaktoren Herr zu werden, ist eine systematische Vorgehensweise. Die Wahrscheinlichkeit, dass in einer größeren Photovoltaikanlage alle Modulstränge fehlerhaft sind, ist eher gering. Man sollte daher einen Strang der Anlage zum Referenzstrang machen. Anschließend wird mit zwei Messgeräten gleichzeitig gemessen. Strang 1 und Strang 2, Strang 1 und Strang 3, Strang 1 und Strang 4 usw. Was interessiert, ist lediglich das Verhältnis der Leerlaufspannungen bezogen auf die Spannung von Strang 1. Die dann verbleibenden Spannungsunterschiede (bei Strängen mit gleicher Modulanzahl) dürfen nicht mehr größer sein als die Spannung eines Drittel Moduls. Ist der Unterschied größer, beginnt die Fehlersuche. Und das Schöne an der Methode: Sie ist bei jedem Wetter anwendbar.

Thermografieuntersuchungen an Solarmodulen machen nur Sinn, wenn ein ausreichend großer Strom fließt. Der Strom verursacht an Übergangswiderständen Spannungsabfälle und damit eine Verlustleistung, die die betroffene Stelle erwärmt. Diese Wärme wiederum kann man mit der Thermografiekamera aufnehmen. Doch was machen, wenn nicht genügend Einstrahlung vorhanden ist? Noch einmal kommen, wenn das Wetter besser ist oder auf die neue Methode der Rückstromthermografie zurückgreifen? Bei der Rückstromthermografie wird ein definierter Strom rückwärts in die Module eingespeist. Dazu ist ein besonderes Netzteil, wie z.B. der pvServe notwendig. Der Strom kann deutlich unter dem Nennstrom der Module liegen. Mit einem Strom von nur 3 A kann man bereits eine Temperaturerhöhung der betroffenen Zellen von ca. 2K erzeugen. Moderne Thermografiekameras lösen Temperaturunterschiede mit 50mK auf und haben kein Problem damit, den Unterschied zwischen bestromten und nicht-bestromten Modulen aufzuzeigen. Damit lassen sich bereits die ersten Fehler sicher diagnostizieren. Wenn eine Bypassdiode kurzgeschlossen ist, werden die Zellen des betroffenen Teilmoduls überbrückt und dadurch bei Rückbestromung nicht erwärmt. Das betroffene Modul lässt sich dadurch leicht identifizieren.

Hat ein Modul Übergangswiderstände, zum Beispiel an den Zellverbindern, so kann man auch diese bei der Rückstromthermografie ebenfalls deutlich als HotSpots erkennen. Das Schöne dabei ist, dass man “falsche Hotspots”, wie sie oft bei der klassischen Thermografie zu sehen sind, z.B. durch Blätter oder Vogelkot auf den Modulen, bei der Rückstromthermographie nicht sichtbar werden. Man kann also ganz eindeutig zwischen optischen und elektrischen Effekten unterscheiden.

Will man noch weiter ins Detail gehen und auch kleinste Fehler an Photovoltaikanlagen aufspüren, so muss man auf die Elektrolumineszenz zurück greifen. Die schlechte Nachricht ist, dass die Untersuchungen nur nachts möglich sind, da bei diesem Verfahren die schwache Emission der Solarmodule im Nahinfrarot bei Rückbestromung aufgenommen wird. Die gute Nachricht ist, dass man dafür nicht unbedingt eine teure SWIR Kamera benötigt. Man kann bereits mit dem Astroumbau einer handelsüblichen digitalen Spiegelreflexkamera qualitativ hochwertige Outdoor-Elektrolumineszenzaufnahmen machen. Der einzige Nachteil:

Man benötigt längere Belichtungszeiten und muss daher einen sicheren Standort haben, an dem man ein Stativ aufstellen kann. Der große Vorteil: Man muss die Module nicht ausbauen, um sie zu untersuchen. Stattdessen wird der komplette Modulstrang rückwärts bestromt und fotografiert.

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