Das typische Schachbrettmuster im Thermogramm von Solarmodulen

Schaut man sich die Thermogramme von Solarmodulen an, so kommt es immer wieder einmal vor, dass an einem Modul einzelne Zellen deutlich erkennbar wärmer sind als die anderen Zellen des Moduls. Die Temperaturen dieser Zellen sind jedoch in aller Regel nicht so extrem hoch, dass man wirklich von einem “Hotspot” reden kann. Oft sind mehrere Zellen in einem Modul betroffen, so dass sich eine Art Schachbrettmuster ergibt, dessen Entstehung Inhalt dieses Artikels ist.  (Der Artikel richtet sich an Fachpublikum und ist für technische Laien eher schwer verdaulich …)

Thermographie Photovoltaik: Typisches Schachbrettmuster auf dem Thermogramm eines nagelneuen kurzgeschlossenen Solarmoduls

Wenn man ein nagelneues Modul, frisch aus der Fabrik auspackt, in die Sonne stellt und anschließend die beiden Anschlussstecker zusammensteckt, beginnt der Kurzschlussstrom des Moduls zu fließen. Das ist soweit nicht weiter spannend. Schaut man sich dieses Modul dann jedoch mit einer Thermographiekamera an, erkennt man deutliche Unterschiede in den Zelltemperaturen der einzelnen Zellen. Einzelne Zellen werden deutlich wärmer als andere und es ergibt sich das “typische Schachbrettmuster”. Als ich das zum ersten Mal gemacht habe, habe ich zunächst geglaubt es handele sich um ein defektes Modul. Nachdem allerdings weitere Module getestet wurden und sich unabhängig von Typ und Leistung immer der gleiche Effekt einstellte, habe ich versucht die Ursache zu finden. Wenn man’s erst mal weiß, ist die Erklärung wie so oft recht banal…

In einem Solarmodul werden immer Zellen mit ähnlichen Kurzschlussströmen eingebaut. Die Zellen werden dafür vom Zellhersteller vermessen und sortiert. Da in einem Solarmodul sämtliche Zellen in Reihe geschaltet sind, bestimmt immer die schlechteste Zelle den Strom des gesamten Moduls. Auch wenn die Leistungstoleranzen der Solarzellen immer geringer werden und die Modulhersteller die Sortierungen immer feiner abstufen, so wird trotzdem niemals eine Zelle eines Moduls exakt allen anderen gleichen. Leichte Unterschiede werden bleiben, auch wenn die Sortierung noch so gut ist. Was für die Leistung der Zellen gilt, gilt selbstverständlich auch für den Kurzschlussstrom. Auch hier gibt es winzige Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen.

Was passiert nun im Falle eines Kurzschlusses des Solarmoduls ? Im Kurzschlussfall wird – wie immer – der gleiche Strom durch alle Zellen des Moduls fließen. Doch welcher Strom ist das eigentlich ? Ist es der Strom der besten Zelle des Moduls oder ist es der Kurzschlussstrom der schlechtesten Zelle ?
Die Antwort lautet weder noch und die Erklärung dazu kommt sofort. Vorher sollte man sich aber noch zwei Sachverhalte klarmachen:
Was passiert eigentlich, wenn eine Zelle einen Strom führt, der knapp unter ihrem Kurzschlussstrom liegt ?
Antwort: Sie ist nicht mehr im Kurzschluss, sondern sie liefert eine – wenn auch nur kleine – positive Spannung.
Die zweite Frage lautet: “Was passiert eigentlich, wenn durch die Zelle ein Strom hindurchfließt, der etwas größer als ihr Kurzschlussstrom ist ?” Wer sich nun fragt, wie das eigentlich gehen soll, sei darauf verwiesen, das man ja auch mit Hilfe einer externen Quelle Ströme durch eine Zelle schicken kann und diese dann zum Verbraucher wird. Ich hatte diesen Sachverhalt bereits einmal in dem Artikel über die unbekannten Bereiche der Solarzellenkennlinie beschrieben. Wenn der Strom also größer wird als der Kurzschlussstrom, muss er erstens aus einer anderen Quelle gespeist werden (zum Beispiel von Zellen die einen größeren Kurzschlussstrom haben) und zweitens wird die Zelle dann zum Verbraucher.
Und nun die Antwort zu der oben gestellten Frage: Wie groß ist der Kurzschlussstrom eines Moduls bezogen auf den Kurzschlussstrom seiner schlechtesten, bzw. seiner besten Zelle ?

Kennlinien von Zellen mit unterschiedlichem Kurzschlussstrom

Die Antwort lautet, der Kurzschlussstrom des gesamten Moduls wird irgendwo zwischen dem Kurzschlussstrom der besten Zelle und dem der schlechtesten Zelle liegen. Wenn man exakt wissen möchte wie groß er sein wird, muss man die Kennlinien der einzelnen Zellen kennen und einen gemeinsamen Arbeitspunkt bilden, für den folgende Bedingungen gelten müssen.

  1. In allen Zellen muss der exakt gleiche Strom fließen. (Da sie ja in Reihe geschaltet sind)
  2. Die Summe aller Zellenspannungen muss exakt 0V betragen. (Da die äußeren Klemmen des Moduls kurzgeschlossen wurden, fallen dort genau 0V ab. siehe auch Kirchhoffsche Maschenregel)

Thermographie Photovoltaik: Typisches Schachbrettmuster auf dem Thermogramm eines Solarmoduls mit einer kurzgeschlossenen BypassdiodeDer zweite Punkt ist für unsere Betrachtung hier der entscheidende. Die Tatsache, dass die Summe aller Spannungen gleich 0 Volt betragen muss heißt nämlich nicht, dass auch die Spannungen der einzelnen Zellen 0 Volt betragen müssen. Es gibt nämlich auch Lösungen des Problems, bei denen die Summe aller positiven Spannungen, also die Spannungen der Zellen die einen höheren Kurzschlussstrom treiben können, exakt gleich groß ist, wie die Summe der negativen Spannungen, die an all den Zellen abfällt, deren Kurzschlussstrom etwas niedriger ist. Obwohl sich also das gesamte Modul im Kurzschluss befindet, befinden sich die einzelnen Zellen keineswegs im Kurzschluss. Im Gegenteil. Einige Zellen wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie (die mit den höheren Kurzschlussströmen) und einige verwandeln eben diese Energie wieder in Wärme (die mit den niedrigeren Kurzschlussströmen.) Im Ergebnis kommt es also zu einem Energietransport von den “besseren” zu den “schlechteren” Zellen, mit dem messbaren Resultat, dass einige Zellen etwas kühler werden, einige etwas wärmer werden, und diejenigen, deren Kurzschlussstrom exakt dem des gemeinsamen Arbeitspunktes entspricht, ihre Temperatur überhaupt nicht ändern. Das Schachbrettmuster im Thermogramm ist geboren. Und auch wenn die Zellen noch so gut sortiert wurden, gibt es immer leichte Unterschiede im Kurzschlussstrom, der zu genau diesem Effekt führt. Es handelt sich also nicht um einen Materialfehler, sondern um ein ganz “natürliches Verhalten” von Solarmodulen.

Doch was bedeutet es nun, wenn man dieses “typische Schachbrettmuster” im Thermogramm einer Photovoltaikanlage sieht. Im Normalbetrieb der Anlage, sollten die Module schließlich nicht kurzgeschlossen sein, sondern sie sollten im MPP (dem Punkt maximaler Leistung ) betrieben werden.
Auch hier gibt es wieder zwei Möglichkeiten. Im ersten Fall kann es schlicht passiert sein, dass eine Bypassdiode defekt ist, die einen Teil (meist ein Drittel) des Moduls kurzschließt. Es kommt zu dem oben beschriebenen Effekt und man kann das Modul mit der Thermographie einfach lokalisieren. Tauscht man die Bypassdiode aus, ist das Problem behoben.
Der zweite Fall ist etwas kniffliger zu verstehen und hat nicht nur mit den Modulen, sondern auch mit den Regeleigenschaften des Wechselrichters etwas zu tun. Dazu sollte man sich zunächst folgenden Sachverhalt klar machen: Der Wechselrichter versucht im Rahmen der MPP Regelung verschiedene Spannungen auf der Solargeneratorkennlinie einzustellen um damit die Spannung zu finden, bei der die eingespeiste Leistung maximal wird. Er kann dabei auch Spannungen einstellen, die unterhalb der MPP Spannung liegen, das heißt Spannungen zwischen 0 Volt und Umpp.  Was passiert in so einem Fall mit den einzelnen Modulen ? Es kann in solchen Fällen passieren, dass einzelne Module nicht länger zur Spannungsbildung notwendig sind (das werden die Module sein, die etwas weniger Kurzschlussstrom liefern können). Diese Module werden dann Thermographie Photovoltaik: Kurzschluss über die Bypassdiodenstrecke an einem Sunpowermoduldurch Ihre Bypassdioden überbrückt. Es passiert also das, was eigentlich im Falle einer Teilverschattung des betroffenen Moduls passieren soll. Damit aber die Bypassdiode in einem Modul “durchschaltet” muss die Summe aller Spannungen der einzelnen Zellen die die Diode überbrückt ca. –0,5 Volt betragen. Das kann aber nur dann der Fall sein, wenn wieder mindestens eine Zelle im betroffenen Teilmodul zum Verbraucher wird, um die positiven Spannungen der anderen Zellen zu kompensieren und die Diode zum Durchschalten zu bringen. Auch in diesem Fall wird diese Zelle wärmer sein als alle anderen und auch in diesem Fall handelt es sich nicht um einen typischen HotSpot, sondern eher um einen Regelfehler des Wechselrichters, der eine zu niedrige Spannung angeregelt hat. Das lässt sich in diesem Fall nur klären wenn man z.B. eine Kennlinie misst und die so ermittelte MPP Spannung mit der MPP Spannung vergleicht, die der Wechselrichter findet. Liegt die Spannung des Wechselrichters deutlich unter der MPP Spannung, ist die Ursache für die warme(n) Zelle(n) gefunden.

Man sieht an den Ausführungen, dass thermische Auffälligkeiten an Solargeneratoren die verschiedensten Ursachen haben können und die Interpretation daher nicht immer ganz einfach ist.

Kommentare

  1. Hallo liebes PV-Büro Team,
    sobald eine Bypass Diode durchschaltet, befindet sich der Substring im Leerlauf. Da kein Strom mehr fließt gibt es auch nicht mehr die unterschiedlichen Verbraucher in Form der verschiedenen Zellcharakteristiken. Es bildet sich also nur das natürliche Temperaturgleichgewicht zwischen der Einstrahlung und Wärmeemission – wie bei jedem anderen Körper auch. Das Wärme Bild in solch einem Substring ist dann geleichmäßig – jedenfalls nach unserer Erfahrung.

    Das Fleckenmuster könnte eventuell kurzzeitig auftreten, wenn die Fehlregelung des MPP Trackers gerade einsetzt.

    Was meinen Sie zu der Überlegung?
    Sonnige Grüße aus Hamburg
    Ralf Meyerhof

  2. Hallo Herr Meyerhof,

    wenn alle 20 Zellen (bei einem 60 Zeller) im Leerlauf wären, könnte die Bypassdiode nicht durchschalten. Sie hat dann die Summe aller Zellspannungen als Sperrspannung (Maschenregel). Die Summe aller Spannungen in dem Teilmodul, das durch die Bypassdiode gebrückt wird muss ja mindestens 0,5Volt (über der Diode) betragen, damit die Bypassdiode leitend werden kann. Es muss also mindestens eine Zelle geben, die eine negative Spannung hat, die um 0,5V größer ist als die Summe aller positiven Spannungen der anderen Zellen. Wenn diese Zelle komplett verschattet ist und der Strom bei fast 0A liegt, wird sich in den restlichen Zellen die Leerlaufspannung einstellen und es wird kaum Energie zwischen den Zellen verschoben. Wenn die eine (etwas schlechtere) Zelle aber fast den gleichen Strom führt wie die guten Zellen, kommt es zu einer Leistungsverschiebung. Ich versuche demnächst nochmal ein paar Thermogramme hier zu veröffentlichen um die Situation etwas zu verdeutlichen.

    Viele Grüße
    pvbuero

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