Qualitätssicherung PV Module

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1 1 Qualitätssicherung PV Module Standards - Prüfungen - Kontrolle Dr. Thomas Friesen Head of PV Module Lifetime Group SWISS PV Module Test Centre 26. März 2012

2 2 Inhalt Weshalb Qualitätsprüfungen? PV Modul Qualität Anforderungen / Definition IEC Prüfungen und Zertifizierung Sonderprüfungen Sonderprüfungen für die Schweiz (Hagel Schneelasten) Qualitätssicherung von PV Modul Lieferungen Schlussfolgerungen

3 Revenues ISAAC / Qualitätssicherung PV Module 3 Qualitätssicherung von PV Modulen Weshalb? o Der Kunde will (und muss) ein elektrisches und mechanisches sicheres Produkt installieren o Möglichst günstige Modulpreise bei guter Qualität (d.h. gutes Preis Leistungsverhältnis) o Während der Betriebszeit wenig außerordentliche Wartungskosten generieren und keine durch Moduldefekte verursachte Ausfälle der PV Anlage haben Ein PV System ist eine wichtige Investition für einen Zeitraum von 25 Jahren und muss während der Betriebszeit Ertrag generieren Fr. 110 Fr. 100 Fr. 90 REVENUES in DEPENDENCE of TIME for different degradation rates Faktoren einer Ertragsminderung: jährlicher Leistungsverlust hohe Ausfallraten (Defekte) hohe Wartungskosten Fr. 80 Fr. 70 Fr. 60 Fr YEARS 0.1 % / year 1 % / year Nach 25 Jahren ein kumulativer Ertragsverlust von 318 fr (- 15%) Nach 25 Jahren ein kumulativer Ertrag von 2246 CHF anstatt 2564 CHF

4 4 Einfluss der unterschiedlichen Degradation auf die Leistungsgarantien Rd Leistungsabfall / Jahr Garantie der Modulhersteller: 90% der Anfangsleistung nach 10 Jahren Betrieb Rd = 0.7% mit einer Toleranz von ±0.2%: Nach 10 Jahren erfüllen 4% der PV Module nicht die Garantiebedingung Rd = 0.7% mit einer Toleranz von ±0.7%: Nach 10 Jahren erfüllen schon 36% der PV Module nicht die Garantiebedingung Dirk Jordan NREL PV Module reliability workshop 2010 Problem: Wer kann/will diesen Zustand in einem PV System überprüfen?? Es sollte jedes einzelne Modul vermessen werden

5 5 Lebenszyklus eines PV Systems / Modul Wichtige Unterscheidung Defekt: PV Modul wird 100% unbrauchbar oder weist Sicherheitsmängel auf (Glasbruch, Kontaktunterbrechung, Delamination ) Degradation: PV Modul verliert kontinuierlich Leistung kann aber weiterhin eingesetzt werden (Korrosion, Vergilbung EVA, Oxidation der Kontakte.) Was bedeutet Lebenserwartung eines PV Moduls: Watertube Kurve für ein PV Modul: 1. Abschnitt: Anfangs Mortalität 2. Abschnitt: normaler Betrieb 3. Lebensdauer Ende 1. Zeit bis zum Totalausfall (Defekt) 2. Leistungsabfall Degradation: Welche Wert ist tolerierbar? Meist wird von der Leistungsgarantie des Herstellers ausgegangen

6 6 Internationale Standards für die PV Modul Prüfung International Electrotechnical Commission Internationale Vereinigung die Standards erlässt. Diese werden weltweit anerkannt. IEC Bauart Qualifikation von terrestrischen Si PV Modulen IEC Bauart Qualifikation von dünnschicht PV Modulen IEC Sicherheit Qualifikation Underwriter Laboratories US Labor (privatwirtschaftlich) welche Standards erstellt und prüft. Diese werden allgemein anerkannt UL 1703 Qualifikation von terrestrischen Si PV Modulen - Bauart und Prüfung (US Version der IEC (Bauart) und 2) Wichtige Unterschiede UL 1703 IEC : Feuertest nur in UL Standard vorgeschrieben Nach UL 1703 müssen alle Komponenten ebenfalls UL Zugelassen sein

7 7 Prüflabor muss unabhängig von der Zertifizierungsstelle sein Prüflabor ISO Prüft nach IEC oder UL Standards Prüfbericht Zertifizierungsstelle ISO TüV Rheinland TüV Rheinland Eurotest SGS Solarhouse IrCoss SWISS PV MTC Produktions Überwachung TüV Süd SGS TüV Intercert Intertek ICIM ISE - VDE UL CIEMAT AIT Prüfsiegel VDE UL Kein Anspruch auf Vollständigkeit

8 8 Standards und Zertifikate Heute sind die meisten PV Module am Markt Zertifiziert oder haben zumindest ein Type Approval Bericht (nur Prüfbericht aus akkreditiertem Labor), da dieses in den meisten europäischen Ländern für eine Einspeise Rückvergütung Pflicht ist. OK nach EN Standard NOK nicht EN Standard?? Irreführend??

9 9 IEC Standarisierte Sonderprüfungen für PV Module PV Modul Prüfung für Installationen in: Küstennähe Salzsprühnebelprüfung: IEC IEC Eingangsprüfungen Salznebeltest IEC Kontrollprüfungen + Diodentest Bauerhöfen - Ställe Ammoniakprüfung nach IEC IEC Eingangsprüfungen Ammoniaktest - Kontrollprüfungen ppm NH3 20 x 24 Std. (Zyklus 8 Std. 100% RH 40C / 16 Std. 75% - 23C) Prüfung für Widerstandsfähigkeit von Transportschäden (in Vorbereitung)

10 10 Neue Prüfverfahren und Standards Feuchtwärme Prüfung (85 C / 85% RH) mit BIAS Spannung an den Modulen (pos oder neg, Spannung = System Voltage) Soll PID Effekte simulieren Potential induced degradation Bei Dünnschicht PV Modulen Korrosion der TCO Schicht Korrosionserscheinungen der Feuchtigkeit und Strom an c-si Polarisation induced degradation: tritt hauptsächlich bei p-zellen auf (high efficiency cells) In Diskussion: Design Qualifikation ist eine bisher eine reine PASSED / FAILED Prüfung, welche bisher gute Dienste für die Qualität der Module garantiert hat. Zukünftig soll eine Klassifizierung für die klimatischen Belastbarkeit (Feuchtigkeit Temperatur Mechanik - UV) der PV Module eingeführt werden.

11 11 Neue Prüfungen auf dem Markt Die neue Produkte sind kombinierte IEC Standardprüfungen (wiederholte IEC parallel oder sequentiell) - Ausnahme ATLAS welche auch Belastungen kombinieren (UV Feuchtigkeit) VDE Quality Tested Langzeitprüfung (Wiederholung von IEC Prüfungen) TüV Rheinland PV+ Langzeitprüfung und Überwachung der Produktion ATLAS 25+ Kombinierte Belastungen und sequentielle Prüfung PV Evolution Lab Long Term Testing Langzeitprüfung (Wiederholung von IEC Prüfungen) Renewable Energy Test Centre Tresher Test Langzeitprüfung (Wiederholung von IEC Prüfungen)

12 Scheelast s k (kn/m 2 ) ISAAC / Qualitätssicherung PV Module IEC Prüfung nicht immer ausreichend 12 Sonderprüfung für hohe Schneelasten auf PV Module Schneezonen Karte Berechnung der effektiven Schneelast s auf dem PV Modul C t C e μ s C e C t s thermischer Korrekturkoeffizient Exposition-Korrekturkoeffizient Reduktionsfaktor für den Anstellwinkel der Module 0.8 bis für > 60 k Gleichung für die Berechnung der Schneelast in Funktion der Höhe üm horizontalen Schneehöhe am Boden s k (SIA 261) m 0 m 200 m s k 2 h kn / m m 500 m IEC norm. IEC alt. h 0 = reale Höhe üm + Korrekturfaktor Höhe üm (m)

13 13 Erweiterte Prüfung der mechanischen Belastung der PV Module Das PV Modul wird mit zunehmender Belastung auf der Vorderseite geprüft Lasteinwirkung mind. 30 Minuten Prüfung bis zum Bruch Wert für die maximal zulässige Schneelast ISAAC Mechanical load tester Andere durch Schnee verursachten Probleme: Ausriss der Rahmen Schneeabrutschen

14 14 Erweiterte Prüfung der Hagelwiderstandsfähigkeit DIAMETER (mm) Switzerland Kinetic Energy (J) DIAMETER (mm) IEC Standard Kinetic energy(j) EL Aufnahme eine mc-si vor und nach Hagelschlag Der IEC Standardtest entspricht einer Hagelklasse II In der Schweiz wird von Versicherern eine höhere Hagelwiderstandsklasse verlangt und daher sollten die PV Module mit größeren Kugeln und höherer Geschwindigkeit beschossen.

15 15 Qualitätssicherung von Modullieferungen Visuelle Inspektion Elektrische Prüfungen (Leistungsmessung, TCO, NOCT ) Elektrolumineszenz Wichtig Fakultativ immer Mechanische Prüfung (Belastung, Hagel) Sicherheitsprüfung Überprüfung der Zertifikate Überprüfung der Garantiebedingungen (Produktgarantie Leistungsgarantie) Vor Ort: Zustand der Lieferung Transportbedingungen - Verpackung

16 16 Visuelle Inspektion der PV Module Flicken bei Backsheets Eine gründliche Inspektion der gelieferten Module kann viele Auskünfte über die Verarbeitungsqualität geben. Einhaltung der Zellenabstände Label Etikett nach Norm Verklebung der Rahmen Verklebung der Junction Box Qualität der Lamination (Blasen, ) Kratzer Kein durchgehendes Klebeband

17 n. Of modules ISAAC / Qualitätssicherung PV Module 17 Elektrische Messungen 30 IEC Prüfung Label Leistungmessung - IV Kurve Bei Lieferungen > 500 Stk.: 1.5% - 2% der Module prüfen Falls eine Messung außerhalb der Toleranz liegt sollte ein grösser Teil (z.b. 5%) aus der Lieferung neu vermessen werden Berücksichtigung der Toleranzen bei der Leistungsmessung: Hersteller Messung Power (Watt) Tolleranz t [%] t = ± 3% oder % Pn [W] P [W] Pmin [W] Nennleistung Modulleistung (IEC Prüfung) nicht immer erhältlich Toleranz/Minimalleistung Empfehlenswert ist auch eine Überprüfung (auf einigen wenigen Modulen) der elektrischen Parameter wie NOCT und Temperaturkoeffizienten

18 18 Elektrolumineszenz Fotografie Für die Elektrolumineszenz Fotografie wird am PV Modul eine Spannung angelegt, sodass ein Strom durch die Zellen fliest oft wird in der Praxis der Kurzschlussstrom I sc gewählt. Die Spannung führt zur Emission elektromagnetischer Strahlung in der für kristallines Silizium charakteristische Wellenlänge von 1150 nm. In vereinfachter Form ausgedrückt handelt es sich um eine Umkehrung des Photoeffekts.

19 19 Beispiele EL Aufnahmen Extreme Transport- und Installationsschäden

20 20 Überprüfung der Dokumentation - Zertifikate Überprüfung aller Zertifikate bzw. Prüfberichte: Datenbanken Anfrage bei den Zertifizierungstellen Datenbanken: UL TüV Rhinland TüV Süd TüV Intercert ww.tuv-intercert.org/en/certificate-database.html

21 21 Schlussfolgerung Heute haben sich drei IEC Standards vor allem die IEC wegen ihrer längeren Vorgeschichte als Qualifikationsprüfungen erfolgreich durchgesetzt. Diese sind aber nicht für alle Einsatzbedingungen ausreichend! Mit dem Erscheinen des IEC Standards im Jahre 1998 war es möglich, ein zuverlässiges PV Modul auf den Markt zubringen. Vor 1995 lag die Anfangssterblichkeit und Ausfallrate bei über 30% und wurde mit den neuen Design auf wenige Prozent reduziert. Nach den wenigen existierenden Herstellerinformationen liegt die Rücklaufrate durch Defekte heute bei unter 0.01 %. Wichtig sind Kontrollprüfungen bei Modullieferungen (Qualitätskontrollen wie sie auch in anderen Industriezweigen z.b. Automobil / Elektronik - üblich sind) Notwendigkeit zusätzlicher Prüfungen für Sonderbelastungen (Klima: Schnee Hagel / Korrosion: Salz )

22 22 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT