Verdeckte Mängel an Photovoltaikanlagen aufspüren (Einführung)

Zur Untersuchung von Photovoltaikanlagen gibt es im Wesentlichen drei Methoden, die jeweils verschiedene Fragestellungen klären können und verschiedene Mängel an einer bereits installierten Anlage aufdecken können. Welche Mängel man mit welcher Methode aufspüren kann und welche Untersuchungen man vollkommen unabhängig vom Wetter durchführen kann, ist Thema dieses Artikels.

Kennlinienmessung

Die Kennlinienmessung ist eine Methode zur Bestimmung der elektrischen Leistung des Solargenerators bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung. Wenn man also wissen möchte wie viel elektrische Energie eine Anlage oder ein einzelnes Modul erzeugen kann ist die Kennlinienmessung die geeignete Methode. Leider lassen sich definierte Einstrahlungen an der fertig installierten Anlage nicht mehr wie im Labor künstlich herstellen, so dass diese Messmethode sehr stark von den Wetterbedingungen abhängt. Eine normgerechte Messung der sogenannten STC Leistung ist daher erst ab einer Sonneneinstrahlung von konstant 800W/m² in Modulebene möglich. Die Kennlinienmessung kann daher vor allem im Sommerhalbjahr bei hochstehender Sonne und entsprechenden Wetterbedingungen durchgeführt werden.
Mit der Kennlinienmessung lassen sich außerdem Fehler an den Solarzellen identifizieren, die zu einer Verschlechterung des sogenannten Füllkaktors führen, durch die also die Kurvenform der Strom Spannungskennlinie deutlich verändert wird. Auch Teilverschattungen auf einzelnen Modulen und deren Einfluss auf die Leistungsminderung der Anlage sind durch eine Kennlinienmessung gut zu bestimmen.

Thermographie

Verdeckte Mängel wie kleinere Übergangswiderstände an den Zellverbindern oder schlecht kontaktierte Steckverbinder können allerdings mit einer Kennlinienmessung kaum erkannt werden. Solange es an den Fehlstellen nur zu einem geringen Leistungsverlust kommt, gehen die hervorgerufenen Abweichungen vom Sollwert in der Messtoleranz des Verfahrens unter.
Hier kommt  nun die Thermographie zum Einsatz. Die Thermographie ist ein Verfahren, mit dem man die Wärmestrahlung, die jeder Körper aussendet, sichtbar machen kann. Mit speziellen Kameras werden Bilder erzeugt, bei denen man nicht die Helligkeit und die Farbe des jeweiligen Bildpunktes sehen kann, sondern dessen Temperatur. Es handelt sich also, wenn man so will, um ein sehr empfindliches Flächenthermometer. Die verschiedenen gemessenen Temperaturen werden dann wieder in beliebige Farben oder Helligkeitswerte umgerechnet um die Messergebnisse besser visualisieren zu können. Moderne Kameras können bereits Temperaturunterschiede von nur 30mK also 0,03° auflösen.
Wenn Strom durch eine Solarzelle, einen Stecker oder ein Kabel fließt, entsteht bedingt durch den ohmschen Widerstand des jeweiligen Bauteils ein wenig Verlustwärme. Wenn nun der ohmsche Widerstand an einer bestimmten Stelle größer wird – zum Beispiel weil ein Stecker nicht richtig zusammengesteckt wurde oder weil sich ein Zellverbinder etwas von der Solarzelle gelöst hat – entsteht an dieser Stelle eine lokal etwas höhere Temperatur. Diese kleinen Temperaturdifferenzen sind bereits viel früher messbar als man den Leistungsverlust durch eine Kennlinienmessung bemerken würde.
Allerdings gilt auch bei der „klassischen Thermographie“, dass man zur Durchführung der Messung gutes Wetter benötigt. Denn ohne ausreichenden Stromfluss durch Zelle, Stecker und Kabel entstehen nur geringe Verlustleistungen und damit auch nur wenig Wärme, die man mit einer Thermographiekamera sichtbar machen könnte.

Die Rückstromthermographie

An dieser Stelle setzt die Rückstromthermographie ein. Bei dieser Methode wird mit Hilfe eines speziellen Netzteiles ein definierter Strom in einen ganzen Solarmodulstrang eingespeist. Das kann sowohl tagsüber als auch nachts erfolgen.

Defekte Solarmodule erkennen mit Rückstromthermographie: Korrodierte Zellanschlüsse führen zu partiellen Ausfällen ganzer Zellstreifen auf einigen Modulen

Die Nachtmessung hat allerdings den Vorteil, dass es auf der Glasscheibe der Solarmodule zu weniger störenden Reflexionen kommt als tagsüber. Auch ein wolkenfreier Himmel ist unter diesem Gesichtspunkt vorteilhaft. Da die durch den Strom bedingte Verlustwärme von der Richtung des Stromes unabhängig ist, kann man mit dieser Methode warme und heiße Punkte auf den Modulen oder an den Steckverbindern zwischen den Modulen jederzeit vollkommen wetterunabhängig lokalisieren.

Die Elektrolumineszenz

Die Elektrolumineszenz ist die Untersuchungsmethode, die die größte Detailvielfalt liefert. Allerdings sind die Ergebnisse dieser Messungen auch am schwierigsten zu interpretieren und die Analyse der EL-Bilder bedarf einer gewissen Erfahrung. Doch zunächst soll kurz erklärt werden, was Elektrolumineszenz eigentlich ist.

Defekte Solarmodule erkennen: Elektrolumineszenz Aufnahme eines Helios SolarmodulesDie Elektrolumineszenz ist ein Verfahren, bei dem Solarmodule zum „Leuchten“ gebracht werden. Ähnlich wie bei Leuchtdioden können auch Solarzellen zum Leuchten – oder besser gesagt zum glimmen – angeregt werden, wenn man einen Strom durch sie hindurch schickt. Auch bei dieser Messmethode wird also Strom in umgekehrter Richtung durch die Solarmodule geleitet. Es entsteht dabei Licht im Nahinfrarotbereich, also für das menschliche Auge unsichtbar. Die Wellenlänge des Lichtes ist vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig und beträgt für Standard Silizium Solarzellen etwa 1100nm. Zum Vergleich: Thermographiekameras sind in einem Wellenlängenbereich zwischen 7000nm und 15000nm (7µm-15µm) empfindlich. Mit speziellen Kameras, die in diesem Wellenlängenbereich empfindlich sind, kann man das schwache glimmen der Solarmodule aufnehmen und damit sichtbar machen an welchen Stellen eine Solarzelle optisch aktiv ist und an welchen nicht. Im umgekehrten Fall können die Zellen auch an genau diesen Stellen im „Normalbetrieb“ Sonnenlicht in Elektrizität verwandeln und an den anderen „dunklen“ Stellen eben nicht. Man bekommt daher ein sehr differenziertes Bild der Solarmodule und wenn man nah genug herangeht sogar der einzelnen Solarzellen. Mikrohaarrisse auf den Zellen, wie sie bei der Montage und dem Transport von Solarmodulen oft entstehen, lassen sich nur mit diesem Verfahren sichtbar machen. Auch der Abriss ganzer Zellteile, lässt sich nur mit der Elektrolumineszenz sichtbar machen.
Der Nachteil der Elektrolumineszenz liegt allerdings darin, dass die Methode nur bei Dunkelheit angewandt werden kann. Bis vor Kurzem ging man sogar davon aus, Elektrolumineszenz sei nur im Labor in speziellen Kammern möglich, in die einzelne Module zur Untersuchung eingelegt werden. Der Nachteil hierbei ist natürlich, dass Module einer bestehenden Anlage zunächst ausgebaut werden müssten um eine Messung durchzuführen und dass man immer nur ein Modul gleichzeitig messen kann.

Outdoor Elektrolumineszenz

Abhilfe schafft hier die „Outdoor Elektrolumineszenz“. Inzwischen konnten wir zeigen, dass sich auch in fertig installierten Anlagen mit relativ einfachen Mitteln sehr brauchbare Elektrolumineszenzaufnahmen machen lassen.

Defekte Solarmodule erkennen: Outdoor Elektrolumineszenzaufnahme eines Solargenerators

Mit dem entsprechenden Netzteil, dass auch für die Rückstromthermographie genutzt werden kann, lassen sich sogar EL-Aufnahmen ganzer Modulstränge durchführen und noch dazu ohne teure Spezialkameras. Das einzige was man benötigt ist eine umgebaute Digitalkamera und ein Stativ. Das emittierte IR-Licht ist nämlich so schwach, dass längere Belichtungszeiten notwendig werden. EL-Bilder aus der Hand kann man derzeit nur mit extrem teuren Industriekameras machen.

Defekte Solarmodule erkennen: Outdoor-Elektrolumineszenzaufnahme von 19 Jahre alten Modulen vom Typ Siemens M53

Alle Aufnahmen die oben im Artikel gezeigt werden, wurden von uns selbst aufgenommen.
Hier findet man eine Sammlung von Elektrolumineszenzaufnahmen, die ständig ergänzt wird.
Hier findet man eine Sammlung von Rückstrom-Thermographieaufnahmen, die ständig ergänzt wird.

Kommentare

  1. Hallo, mich würde interessieren, ob man anhand der Bruchbilder von Solarzellen im Solarmodul erkennen oder zweifelsfrei sagen kann welche Ursache für den Zellbruch oder Riss vorliegt. Also ist ein Transport- oder Handlingsfehler klar von einem Herstellungfehler zu unterscheiden und welche Merkmale deuten darauf hin.
    Gruß Ullmann

  2. Hallo Herr Ullmann,
    es gibt bestimmte Rissbilder, die z.B. für einen Hagelschaden typisch sind. Leider werden allerdings meist auch Zellen in der Umgebung der Einschlagstelle geschädigt, deren Rissbilder nicht von Transport- oder Handlingsschäden zu unterscheiden sind. Die Antwort heißt daher nach meinem derzeitigen Wissensstand: Nein, man kann bei Mikrorissen nicht eindeutig sagen woher sie kommen. Lediglich das Alter der Schäden lässt sich mittlerweile abschätzen. Das kann bei der Ursachenforschung helfen. Dazu sollten Sie sich die Veröffentlichungen des ISFH ansehen. Stichwort Polymerfloureszenzmessung: http://www.isfh.de/institut_solarforschung/pruefung-pv-module.php

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