Thermographieuntersuchung zur Fehlersuche an einem Solargenerator

Im nachfolgenden Artikel soll an einem Praxisbeispiel veranschaulicht werden, wie man Thermographieuntersuchungen (Wärmebilder) dazu nutzen kann um Fehler an einem Solargenerator aufzuspüren.

Bild 1: Interne Verschaltung Solarmodul vom Typ Enfoton E6-170FEs handelt sich bei den Modulen um Module mit 50 polykristallinen Solarzellen mit einer Zellkantenlänge von 6”. Die interne Verschaltung der Solarzellen kann Bild 1 entnommen werden .  Es waren jeweils 13 Module in Serie verschaltet. 3 dieser Stränge bedienen jeweils einen Wechselrichter vom Typ Fronius IG 60. Dass die Anlage fehlerhaft läuft wurde durch eine Datenaufzeichnung bemerkt. Insbesondere fiel auf dass einer der Wechselrichter signifikante Leistungsabweichungen zu den anderen Wechselrichtern zeigte.
Die erste Untersuchung mit einer DC Stromzange zeigte, dass die einzelnen Stränge zum Teil erheblich abweichende Ströme bei exakt identischen Einstrahlungs- und Temperaturverhältnissen lieferten. Eine Messung der Leerlaufspannungen ergab erhebliche Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Strängen. Der schlechteste Strang lieferte 313V während der Beste Strang 374V lieferte. Insgesamt schwankten auch die “guten Stränge” zwischen 360V und 374V.

Meine erste Vermutung war, dass einige Bypassdioden aufgrund einer Überspannung, die möglicherweise durch einen Blitzeinschlag in der Umgebung verursacht worden sein könnte, zerstört wären. Wenn Bypassdioden durch Überspannung zerstört werden verursachen sie einen Kurzschluss und würden dadurch Teile des Solarmodules kurzschließen und damit seine Spannung vermindern.

Bild 2:Vermutung: Defekte Bypassdioden verursachen einen lokalen Kurzschluss im Modul

Mit Hilfe der Thermographieuntersuchung sollten nun die verschiedenen Belastungssituationen innerhalb des Solarmodules sichtbar gemacht werden.

Die Untersuchung wurde durchgeführt mit einer Thermographiekamera von Flir Typ T425 mit Weitwinkelobjektiv 45° mit freundlicher Unterstützung der Fa. Orglmeister aus Walluf. Die Untersuchung erfolgte an einem Tag mit guter Einstrahlung (ca. 600W/m²). Es wurde eine Kamera mit Weitwinkelobjektiv gewählt um direkt auf dem Dach thermographieren zu können. Nachfolgend werden die Thermographieaufnahmen der Reihe nach gezeigt:

Fehlerbild 1:

Fehlerbild 1

Fehlerbild 1 – 2:

Fehlerbild 1-2

Fehlerbild 2:

Fehlerbild 2_6

Fehlerbild 3:

Fehlerbild 3_thumb

Fehlerbild 4:

Fehlerbild 1_thumb_1

Auf den Thermographieaufnahmen kann man deutlich die Temperaturunterschiede einzelner Zellstreifen erkennen. Auf diese Weise konnten schnell die betroffenen Module lokalisiert werden. Außerdem erkennt man deutlich warme Punkte dort wo die Modulanschlußdosen mit den Bypassdioden sitzen.

Die anschließende Untersuchung der betroffenen Module ergab jedoch, dass nicht wie zunächst vermutet einzelne Bypassdioden defekt waren, sondern dass es sich um Kontaktprobleme in den Modulanschlussdosen handelte. Die Zuleitungen zu den Zellsträngen sind in den Modulen in die Dose geführt und dort auf Federklemmen aufgelegt. Wenn sich in diesen Federklemmen Kontaktprobleme ergeben kommt es zu den in den nachfolgenden Skizzen gezeigten Fehlerbildern, die exakt mit den Fehlerbildern der Thermographieaufnahmen übereinstimmen.

Fehlerbild 1:

Fehlerbild1 Solarmodul Enfoton E6-170F

Fehlerbild 2:

Fehlerbild2 Solarmodul Enfoton E6-170F

Fehlerbild 3:

Fehlerbild3 Solarmodul Enfoton E6-170F

Fehlerbild 4:

Fehlerbild4 Solarmodul Enfoton E6-170F

Durch Lösen der schadhaften Verbindungen und Freikratzen der korrodierten Verbindungen konnten die Module wieder repariert werden und lieferten anschließend wieder die erwartete Leerlaufspannung.

Bemerkenswert ist in diesem Fall, dass bereits bei kleinen Spannungsunterschieden von ca. 5,4 V zwischen zwei Modulsträngen nicht sicher ausgeschlossen werden kann, dass nicht ein Fehler nach Fehlerbild 1 vorliegt. Diese Spannungsunterschiede entstehen natürlich auch schnell durch wechselnde Einstrahlung bzw. unterschiedlich warme Module. Es ist daher bei der Inbetriebnahme von Solarstromanlagen extrem wichtig alle Leerlaufspannungen bei exakt gleichen Einstrahlungsverhältnissen und vor allem bei gleichen Modultemperaturen zu messen. Wenn abends nach vollendeter Montage schnell noch die Spannungen gemessen werden ist dies in aller Regel nicht der Fall, da einige Module erst frisch montiert wurden während andere Teile des Generators womöglich schon den ganzen Tag in der Sonne lagen.

Bemerkung am Rande: Was sich an den Thermographieaufnahmen oben sehr schön sehen lässt, ist die Tatsache, dass eine Solarzelle die im Leerlauf betrieben wird eine etwas höhere Temperatur (ca 2°K) aufweist als eine Solarzelle die im Mpp betrieben wird. Im Leerlauf wird die gesamte Sonnenenergie in Wärme umgesetzt, im MPP Betrieb wird ein Teil der Energie in Form von Strom abtransportiert.

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