PHOTOVOLTAIK THERMOGRAFIE. Objektnummer: Herr Max Sonne Sonnenallee Sonnenstadt

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1 PHOTOVOLTAIK THERMOGRAFIE Objektnummer: Herr Max Sonne Sonnenallee Sonnenstadt

2 Sehr geehrter Kunde, wir freuen uns, dass Sie sich entschieden haben, Ihre Photovoltaikanlage zu überprüfen und möchten Ihnen mit dieser Broschüre erste Hinweise zu auffälligen Anlagenteilen und Ineffizienzen geben. Auf den folgenden Seiten finden Sie Interessantes zum Thema Photovoltaik-Thermografie, zu möglichen Fehlerursachen und typischen Fehlerbildern auf Solarmodulen. Auf den hinteren Seiten dieser Broschüre befinden sich die kommentierten Infrarotaufnahmen Ihrer PV-Anlage. Sollte Ihre Anlage kritische Bereiche aufzeigen, hoffen wir, dass Ihnen mit dieser Dienstleistung eine wichtige Grundlage zur Fehlerbeseitigung und Werterhaltung Ihrer Anlage gegeben wird. Inhalt Seite 3 Allgemeines zur PV-Thermografie Wissenswertes und Kameratechnik Seite 4 Funktionsweise von Photovoltaikmodulen Aufbau und Schaltung Seite 5 Beispiele aus der Praxis Verschiedene Fehlerbilder und deren Ursachen Seite 7 Infrarotbilder mit Erläuterungen Ihre PV-Anlage im Infrarotspektrum 2

3 Allgemeines zur PV-Thermografie Die Thermografie, also das Abbilden von Objekten im infraroten Strahlungsbereich, wird eingesetzt um die Wärmeverteilung an Oberflächen sichtbar zu machen. Die unsichtbare Wärmestrahlung, die alle Körper ausstrahlen, wird mit einer Infrarotkamera erfasst und in einem Infrarotbild dargestellt. Neben dem Einsatz in der Bautechnik, wo Wärmeverluste zum Zweck der Energieeinsparung aufgezeigt werden, wird das Verfahren genutzt, um Photovoltaikmodule einer berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung zu unterziehen. Vergleichsbild: aufgeständertes Solarmodul mit heißer Anschlussdose von der Rückseite aufgenommen Die Thermografie von Photovoltaikanlagen ist ein anerkanntes Verfahren, welches bereits beim Herstellungsprozess der Solarmodule zur Qualitätssicherung angewendet wird. Sie ist ein effektiver und schneller Weg, die Anlage zu prüfen und Fehler visuell darzustellen. Ursachen für eine verminderte Anlagenleistung können erkannt und Maßnahmen zur Erhöhung der Anlageneffizienz geplant werden. Die Kameratechnik Ihre Infrarotbilder wurden mit dem Kameramodell T640 von FLIR Systems erstellt. Es gehört zu den leistungsfähigsten Infrarotkameras im mobilen Bereich und ist durch die hohe Auflösung für den Einsatz an Photovoltaikanlagen bestens geeignet. Technische Daten: FLIR T640 Thermische Auflösung: 0,035 K Bildpunkte: 640 x 480 Pixel Objektiv: 45 Weitwinkel Winkelauflösung: 1,23 mrad Temperaturbereich: -40 C bis 2000 C 3

4 Funktionsweise von Photovoltaikzellen Die kleinste Einheit einer Photovoltaikanlage ist die einzelne Photovoltaik-Zelle. Sie wandelt unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts Sonnenlicht in elektrische Energie um. 95 % aller Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Siliziumzellen werden in kristalline und amorphe Zellen unterteilt, wobei auf die kristallinen Zellen der größte Marktanteil entfällt. Z1 Z2 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Die erzeugte elektrische Spannung einer Einzelzelle ist zur Einspeisung zu gering, so dass viele Photovoltaik-Zellen zu einem Modul hintereinander in Reihe geschaltet werden. Z R Wärme Z1 Z2 Z Z1 Z2 Z18 Z19 Z18 Z19 Z35 Z R Z17 Z20 Z20 Z35 Z R Die Reihenschaltung hat zur Folge, dass beim Ausfall einer einzelnen Zelle das gesamte Modul in seiner Leistung reduziert wird. Fehlerhafte Zellen werden zum Verbraucher und erwärmen sich. Der Strom der intakten Zellen wird durch die defekte Zelle hindurchgedrückt. Dies hätte eine weitere Erwärmung bis hin zum Durchbrennen der defekten Zelle zur Folge. Schattenwurf von Bäumen etc. hat eine ähnliche Wirkung. Beschattete Zellen liefern eine geringere Spannung als unbeschattete Zellen und wirken als Widerstand. Um einen Modulausfall durch einzelne leistungsgeminderte Zellen zu vermeiden, werden nach einer gewissen Zahl von Einzelzellen sogenannte Bypassdioden eingebaut, die nur in eine Richtung Stromdurchlässig sind, Rückströme aber blockieren. So wird einem Ausfall des Gesamtmoduls vorgebeugt - nur der betreffende Zellstrang ist in seiner Leistung gemindert. - 4

5 Beispiel: 3-strängiges Photovoltaikmodul mit 60 Einzelzellen Bypass-Diode PV-Zelle Zellstrang Schichtenaufbau eines kristallinen Solarmoduls Leiterbahnen, Siliziumschichten und Deckglas sind in einem Modul fest miteinander vergossen. Eingebettet in ein spezielles Gießharz werden die dünnen Siliziumschichten vor mechanischen- und Witterungseinflüssen geschützt. Die rückwärtige Glasschicht kann zur Gewichtsreduktion entfallen. Aluminiumrahmen Glas EVA Dichtung Tedlar-Folie Zellen 5

6 Beispiele aus der Praxis Anhand der Temperaturverteilung auf der Oberfläche einer Solaranlage können fehlerhafte Anlagenteile schnell erkannt werden. Die untersuchte Anlage muss sich während der Thermografie im Lastzustand befinden, also Strom erzeugen. Normale Temperaturbilder Idealerweise zeigt sich bei gleichmäßiger Einstrahlung ein sehr regelmäßiges Temeraturbild. Geringfügige Temperaturunterschiede von weniger als drei Kelvin sind entweder auf Fertigungstoleranzen der Siliziumschicht oder externe Wärmequellen wie zum Beispiel stromdurchflossene Anschlussdosen zurückzuführen. Module ohne Auffälligkeiten Ideales Temperaturbild bei gleichmäßiger Sonneneinstrahlung. Die geringfügigen Temperaturdifferenzen sind nicht kritisch. Module mit erwärmten Anschlussdosen Modulbereiche, an deren Rückseite sich die Anschlussdose befindet, sind durch den Stromfluss meist leicht erwärmt. Dies lässt sich bauartbedingt nicht vermeiden und wird nicht als Fehler interpretiert. Punktförmige Artefakte Auf dem Modul befinden sich leicht erwärmte Hotspots. Wegen der exponierten Lage der Module sind dies meistens lokale Verschmutzungen durch Vogelexkremente. Sehr heiße Hotspots ( T > 15 C) deuten auf Zellrisse hin und sind kritisch zu sehen. 6

7 Temperaturunterschiede von mehr als drei Kelvin deuten auf Anlagendefekte hin, wobei der fehlerhafte Modulteil in der Regel wärmer als die funktionstüchtigen Bereiche ist. Zurückzuführen ist dies auf eine Vergrößerung des elektrischen Widerstands von defekten Zellen oder falsch angeschlossenen Zellsträngen oder ganzen Modulen. Deutlich erwärmte Einzelzelle Eine Einzelzelle tritt im Infrarotbild deutlich erwärmt hervor. Dies kann auf einen Zelldefekt hindeuten, kann jedoch auch auf eine rückwärtige Anschlussdose oder Abschattung zurückzuführen sein. Deutlich erwärmter Zellstrang Ein Zellstrang ist deutlich erwärmt. Dies deutet auf einen kurzgeschlossenen oder nicht angeschlossenen Zellstrang hin. Ursache eines Kurzschlusses kann z.b. eine fehlerhafte Bypassdiode sein. Module mit Patchwork-Muster Mehrere zufällig verteilte Zellen sind deutlich erwärmt. Dies deutet auf einem modulinternen Kurzschluss hin. Die Ursache können z.b. komplett fehlerhafte Bypassdioden sein. Deutlich erwärmtes Modul Ein Modul ist gleichmäßig wärmer als die anderen Module. Dies deutet auf ein inaktives Modul hin. Neben einem Totaldefekt kann z.b. auch ein fehlendes Anschlusskabel ursächlich sein. 7

8 Leistungsverluste Durch die Reihenschaltung der Photovoltaikzellen innerhalb der Module gilt das Prinzip kleine Ursache große Wirkung. Messungen haben ergeben, dass bereits eine defekte Fläche von weniger als ein Prozent der gesamten Modulfläche einen Leistungsverlust von mehr als sieben Prozent zur Folge haben kann. Wie groß die Leistungsverluste im Einzelnen sind, kann nur durch eine elektrische Messung ermittelt werden und hängt von der Art des Defektes ab. Im Allgemeinen kann jedoch gesagt werden, dass das Patchwork Muster auf ein nahezu komplett ausgefallenes Modul hindeutet. Gebrochene oder gerissene Zellen haben ebenfalls drastische Leistungsverluste zur Folge. Bei auffälligen Zellsträngen reduziert sich die Modulleistung meist nur um die Leistung der ausgefallenen Zellstränge. Erwämte Einzelzellen können, müssen aber nicht zwingend zur Leistungsreduktion führen. Sie sind jedoch immer als Hinweis auf zukünftige Ausfälle anzusehen. 8

9 Infrarotbilder Ihrer Photovoltaikanlage mit Erläuterung Auf den folgenden Seiten sind die Infrarotbilder Ihrer Photovoltaikanlage mit der zugehörigen Celsius-Temperaturskala sowie einer Bewertung dargestellt. Bei der Bewertung wird in normal und kritisch unterschieden. Normal Der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Zellen ist gering und beträgt weniger als drei Kelvin. Es sind keine Auffälligkeiten zu erkennen, die auf fehlerhafte Anlagenteile hindeuten. Kritisch Der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Zellen ist hoch und beträgt mehr als drei Kelvin. Es sind Auffälligkeiten zu erkennen, die auf fehlerhafte Anlagenteile und Leistungsverluste hindeuten. Eine weitergehende elektrische Prüfung und fachmännische Beseitigung der Mängel wird angeraten. Auf Solarmodulen zeigen sich oft systembedingte typische Fehlerbilder, d.h. erwärmte Bereiche. Folgende Tabelle zeigt die häufigsten Fehlerbilder und mögliche Ursachen im Überblick. Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache mögliche Lösung gesamtes Modul gleichmäßig wärmer Modul nicht richtig angeschlossen Anschluss wiederherstellen zeilen- oder reihenhafte Erwärmung ein Zellstrang kurzgeschlossen defekte Bypassdiode, interner Kurzschluss Bypassdiode wechseln, Strang richtig anschließen, Kontakte reinigen zufällig verteilte Zellen deutlich erwärmt Modul im Kurzschluss Verdrahtungsfehler, alle Bypassdioden defekt Modultausch, Bypassdioden tauschen Quelle: Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung e.v. einzelne Zelle deutlich wärmer Bruchteil einer Zelle deutlich wärmer punktförmige Erwärmung deutlich erwärmter Anschlussbereich Zellbruch Artefakt, Zellriss Kontaktfehler Abschattung, defekte Zelle mechanische Beanspruchung Abschattung (z.b. durch Vogelkot), Fabrikationsfehler schadhafte Steckverbindung Abschattung beseitigen, Modultausch Modultausch Reinigung, Modultausch Steckverbindung wiederherstellen, Kontakte reinigen 9

10 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Wetterbedingungen: Globalstrahlung: 872 W/m² leicht bewölkt, 21 C Bild 1 - Aufnahme vom , 10:02 Uhr kritisch Mögliche Lösung: Austausch des Moduls Auswechseln der Bypassdioden Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache zufällig verteilte Zellen deutlich erwärmt Modul im Kurzschluss Verdrahtungsfehler, alle Bypassdioden defekt Bild 2 - Aufnahme vom , 10:03 Uhr kritisch Mögliche Lösung: Beseitigen der Abschattung Reinigung des Moduls Austausch des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache eine Zelle deutlich wärmer Abschattung, defekte Zelle 10

11 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Wetterbedingungen: Globalstrahlung: 872 W/m² leicht bewölkt, 21 C Bild 3 - Aufnahme vom , 10:04 Uhr normal Mögliche Lösung: Beseitigen der Abschattung Reinigung des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache punktförmige Artefakt Abschattung Erwärmung (durch Vogelkot...) Bild 4 - Aufnahme vom , 10:05 Uhr normal Mögliche Lösung: Beseitigen der Abschattung Reinigung des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache Artefakt punktförmige Erwärmung Abschattung (durch Vogelkot...) 11

12 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Wetterbedingungen: Globalstrahlung: 872 W/m² leicht bewölkt, 21 C Bild 5 - Aufnahme vom , 10:07 Uhr kritisch Mögliche Lösung: Beseitigen der Abschattung Reinigung des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache eine Zelle deutlich wärmer Abschattung, defekte Zelle Bild 6 - Aufnahme vom , 10:09 Uhr kritisch Mögliche Lösung: Austausch des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache eine Zelle deutlich wärmer Abschattung, defekte Zelle 12

13 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Wetterbedingungen: Globalstrahlung: 872 W/m² leicht bewölkt, 21 C Bild 7 - Aufnahme vom , 10:09 Uhr kritisch Mögliche Lösung: Austausch des Moduls Beschreibung möglicher Fehler mögliche Ursache eine Zelle deutlich wärmer Abschattung, defekte Zelle 13

14 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Anordnung der Module und zugehörige Bildnummer Norden Installierte Anlagenleistung: 24,8 kwp Zusammenfassender Kommentar Die thermografierte Photovoltaikanlage weist auffällig erwärmte Modulbereiche auf, die als kritisch anzusehen sind. (Bilder 1,2,5,6,7) Eine Behebung vorhandener Fehler durch einen Fachmann wird empfohlen. Insbesondere Bild 2 zeigt einen sehr heißen Modulbereich, welcher brandschutztechnisch bedenklich ist. Die Bilder 3 und 4 zeigen zwar sporadisch Hotspots, sind jedoch nicht als kritisch zu interpretieren. Eine Beseitigung der Verschmutzung wird gegebenenfalls angeraten. 14

15 Stadtwerke Sonnenstadt Objektnummer: Sonnenallee Sonnenstadt Alle Inhalte, Abbildungen und Links in dieser Broschüre sind als Hinweise und Empfehlungen zu verstehen. Rechtliche Ansprüche auf Vollständigkeit und Korrektheit können nicht geltend gemacht werden. Die delta GmbH als Inhaberin der Bild- und Textnutzungsrechte dieser Broschüre bedankt sich für Ihren Auftrag. Weitere Informationen unter 15