EMV-Messung von PV-Modulen

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1 EMVMessung von PVModulen Photovoltaik gilt als zukunftsweisende und umweltfreundliche Art der Energiegewinnung. Im Jahr 2010 fand mit einem Zubau von rund 8 Gigawatt das bisher größte Wachstum in Deutschland statt [1]. Fast die Hälfte der neu errichteten Anlagen ist auf Dächern von Wohngebäuden zu finden [2]. Es sollte somit sichergestellt werden, dass beim Betrieb von Photovoltaikanlagen keine elektromagnetische Strahlung abgegeben wird, die sich negativ auf die Gesundheit der Menschen auswirken könnte. Im Rahmen dieser Projektarbeit soll die elektromagnetische Verträglichkeit von verschiedenen PVModulen untersucht werden. Ziel ist es anhand der Ergebnisse eine Antwort auf die Frage geben zu können, inwieweit PVModule zum heutzutage allgegenwärtigen Elektrosmog beitragen. Darüber hinaus soll festgestellt werden, ob sich die Emission von elektromagnetischen Strahlen durch Abschirmungsmaßnahmen in Form einer Folie aus Aluminium an der Modulrückseite und Erdung der Modulrahmen reduzieren lässt. Die Untersuchungen an den PVModulen erfolgt völlig unabhängig voneinander sowohl im Niederfrequenzbereich von 10 Hz Hz als auch im Hochfrequenzbereich von 9 khz 3000 khz. Im niederfrequenten Bereich erfolgt die Messung des elektrischen Feldes (EFeld) und der magnetischen Flussdichte (BFeld) mit dem Feldstärkemessgerät EFA300 von Narda Safty Test Solutions. Im hochfrequenten Bereich wird die elektrische Feldstärke (EFeld) und die magnetische Feldstärke (HFeld) mit dem Feldstärkemessgerät SRM3006 ebenfalls von der Firma Narda ermittelt. Beim EFA300 sind sowohl EFeld als auch BFeldsonde isotrop aufgebaut. Hierbei wird die Feldstärke in alle drei Raumrichtungen gemessen und die resultierende Feldstärke ermittelt was eine richtungsunabhängige Messung ermöglicht. Die Messsonden des SRM3006 hingegen sind einachsig aufgebaut. Die Messung der Feldstärke erfolgt nur in eine gezielte Richtung. Vor der eigentlichen Messung muss somit zuerst die Richtung mit der höchsten Feldstärke ermittelt werden um ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten. Anschließen wird die Messsonde in dieser Ausrichtung vor dem Modul positioniert. Zur Durchführung der Messungen wurde eigens eine freie Aufständerung für die Module aus Holz erstellt um die Messergebnisse nicht durch Einflüsse metallischer Halterungen zu verfälschen. Als Wechselrichter wurde ein StecaGrid 300 verwendet. Hierbei handelt es sich um einen trafolosen Stringwechselrichter, an den nur wenige PVModule in Reihe angeschlossen werden. Um die erforderliche Mindestspannung von 45 V zu erreichen wurden jeweils zwei identische Module in Reihe geschaltet. Bereits im Vorfeld der Messungen kann gesagt werden, dass PVModule von sich aus nicht in der Lage sind elektromagnetische Strahlen von sich zu geben. Ausschlaggebend für die elektromagnetische Abstrahlung von PVModulen ist der an den PVGenerator angeschlossenen Wechselrichter. Ein PVGenerator bestehend aus mehreren Modulen und der ausgedehnten Gleichstromverkabelung stellt ein strahlungsfähiges Gebilde ähnlich einer Antenne dar. Die vom Wechselrichter ausgehenden leitungsgebundenen nieder und hochfrequenten Störsignale werden auf 1

2 den PVGenerator übertragen und von diesem als elektromagnetische Strahlung emittiert. Grund für das häufige Auftreten von Störsignalen an Wechselrichter sind zum einen die schnellen Schaltvorgänge der Leistungselektronik zur Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstroms und die 50HzFrequenz des öffentlichen Stromnetzes selbst. Somit kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei den Störsignalen überwiegen um die Schaltfrequenz des Wechselrichters und die Netzfrequenz sowie deren Oberschwingungen handelt. Die Störaussendung seitens des Wechselrichters erfolgt jedoch nicht nur leitungsgebunden sondern auch in Form von Strahlung [ ]. Da 3 Wechselrichter oft in den Gebäuden installiert sind kann sich dies in Extremfällen durch Störungen im Rundfunk oder Fernsehempfang bemerkbar machen. Messergebnisse Im Folgenden sollen zunächst die elektrische und magnetische Abstrahlung von PVModulen mit Alufolie an der Modulrückseite im Vergleich zu Modulen ohne Alufolie miteinander verglichen werden. Anschließend soll untersucht werden welche Auswirkungen eine Erdung der Modulrahmen und der Alufolie auf das Abstrahlverhalten haben. Hoch und Niederfrequenzbereich werden dabei getrennt voneinander betrachtet. Hochfrequenzbereich Abbildung 1: EFeld Spektrum khz In Abbildung 1 sind die Spektren von 9 khz 3000 khz der gemessenen elektrischen Felder an der Rückseite der Module aufgeführt. Rot = Modul mit Alufolie an der Rückseite, Grün = Modul ohne Alufolie. Im Vergleich dazu ist das Ruhespektrum (graugestrichelt) und das elektrische Feld unmittelbar am Wechselrichter (orange) dargestellt. Die momentan gemessenen Leistungen während 2

3 der Messungen liegen beim Modul mit Alufolie bei 305 Watt, beim Modul ohne Alufolie bei 280 Watt. Es lässt sich erkennen, dass sich die Spitzenwerte der beiden Module nur unwesentlich unterscheiden. Die maximale el. Feldstärke am Modul MC60I mit Alufolie beträgt 0,2365 V/m bei 117,89 khz. Die maximale el. Feldstärke am Modul ohne Alufolie beträgt 0,191 V/m bei 109,59 khz. Insgesamt betrachtet liegen jedoch die Werte des Moduls ohne Alufolie zu meist über denen des Moduls mit Alufolie. Der Vergleich beider Spektren mit dem Spektrum des Wechselrichters bestätigt, dass dar Ursprung der elektrischen Felder der Wechselrichter ist und es sich bei den Spitzen vermutlich um die Harmonischen der Schaltfrequenz handelt. Die Abstrahlung elektrischer Strahlung im hochfrequenten Bereich (9 khz 3000 khz) ist an PVModulen mit Alufolie durchaus geringer als an PVModulen ohne Alufolie. Abbildung 2: HFeld Spektrum khz Betrachtet man die Spektren der magnetischen Felder in Abbildung 2, so liegen zwar beide Spektren (mit Alufolie = rot, ohne Alufolie = grün) näher am Ruhespektrum (graugestrichelt) als beim elektrischen Feld, jedoch unterscheiden sich die jeweiligen Maximalwerte deutlicher voneinander. Der gemessene Maximalwert am Modul mit Alufolie (rot) beträgt 0,0018 A/m bei einer Frequenz von 39,27 khz, der Maximalwert am Modul ohne Alufolie mit 0,0094 A/m bei 36,83 khz wesentlich mehr. Dabei liegt die momentane Leistung während der Messung beim Modul mit Alufolie mit 306 Watt über der Leistung des Moduls ohne Alufolie von 280 Watt. Die Abstrahlung magnetischer Strahlung im hochfrequenten Bereich ( khz) ist an PVModulen mit Alufolie deutlich geringer (Faktor 5) als an PVModulen ohne Alufolie. 3

4 Die Untersuchung der Auswirkungen von Erdung und Modulrahmen auf das Abstrahlverhalten ergab beim Modul mit Alufolie dass sich das elektrische Feld durch Erdung des Modulrahmens deutlich um bis zu 23 db reduzieren lässt. Eine zusätzliche Erdung der Alufolie verschlechtert das Abstrahlverhalten jedoch wieder. Beim magnetischen Feld sind hingegen keinerlei Auswirkungen durch die Erdung von Modulrahmen und/oder Alufolie festzustellen. Beim Modul ohne Alufolie lässt sich durch Erden des Modulrahmens ebenfalls eine Reduzierung des elektrischen Feldes erreichen, jedoch in geringerem Maße als beim Modul mit Alufolie (6,4 db). Auch hier ist beim magnetischen Feld keine positive Veränderung nach der Erdung festzustellen. An der Modulvorderseite nimmt das magnetische Feld um 1,12 db zu. Durch das Erden der Modulrahmen lässt sich das elektrische Feld im hochfrequenten Bereich ( khz) sowohl an Modulen mit Alufolie als auch an Modulen ohne Alufolie deutlich reduzieren. Auf das magnetische Feld hat die Erdung so gut wie keine Auswirkungen. Niederfrequenzbereich Abbildung 3: EFeld Spektrum Hz In Abbildung 3 sind die Spektren im Bereich von 10 Hz Hz des gemessenen EFelds an der Rückseite der Module aufgeführt. In dem Diagramm sind die Messungen der Module (mit Alufolie = rot, ohne Alufolie = grün) erkennbar sowie das Ruhespektrum (graugestrichelt) und die gemessene Werte am Wechselrichter (orange). Die maximalen elektrischen Feldstärken liegen beim Modul mit Alufolie bei 50 Hz mit 90,9 V/m und beim Modul ohne Alufolie bei 50 Hz mit 96,045 V/m. Die 4

5 momentan gemessene Leistung am Modul mit Alufolie lag bei 300 Watt und bei der Messung des Modul ohne Alufolie bei 285 Watt. Bei der Messung des elektrischen Felds im niederfrequenten Bereich (10 Hz Hz) konnten keine markanten Unterschiede unter den verschiedenen Modultypen erkannt werden. Abbildung 4: BFeld Spektrum Hz In Abbildung 4 sind die Spektren der magnetischen Flussdichte der Module (mit Alufolie = rot, ohne Alufolie = grün) sowie das Ruhespektrum (graugestrichelt) und die gemessenen Werte am Wechselrichter (orange) aufgeführt. Die Messungen des BFelds wurden an der Rückseite im Frequenzbereich von 10 Hz Hz aufgenommen. Hierbei sind die magnetischen Maximalwerte beim Modul mit Alufolie bei 10 Hz von 0, µt und beim Modul ohne Alufolie ebenfalls bei 10 Hz von 0, µt gemessen worden. Die momentanen Leistungen des Moduls mit Alufolie lag bei 305 Watt und bei dem Modul ohne Alufolie lag bei 285 Watt. Auch bei den Messungen des BFelds im niederfrequenten Bereich (10 Hz Hz) waren ebenfalls nur geringe Abweichungen zu den verschiedene Modulen erkennbar. Bei den Untersuchungen der verschiedenen Erdungsvarianten, war bei der Erdung des Moduls mit Alufolie eine Reduzierung aufgefallen. Bei der Messung des EFelds auf der Rückseite des Moduls konnte ohne Erdung die maximale elektrische Strahlung von 90,9 V/m gemessen werden. Bei der Erdung der Alufolie verringerte sich die Strahlung um 64,7 V/m. Das entspricht 10,9 db. Dieser Effekt 5

6 konnte an der Vorderseite nicht erkannt werden. Bei der Messung des BFelds waren keine entsprechenden Auffälligkeiten zu erkennen. Durch das Erden der Alufolie kann also eine Reduzierung der elektrischen Abstrahlung im niederfrequenten Bereich (10 Hz Hz) erreicht werden. Die Reduzierung liegt in einer Größenordnung von 64,7 V/m. Dies entspricht 10,9 db. Es stellt sich die Frage ob und wie gefährlich die gemessenen Feldstärkewerte für den Menschen sind und in welcher Relation die elektromagnetische Strahlung von PVKomponenten zu derer anderer Elektrogeräte zu sehen ist. Die in Deutschland gültigen Grenzwerte werden durch die 26. Verordnung zum Bundesimmissionsschutzgesetzt (26.BIMSchV) vorgeschrieben und beinhalten im Wesentlichen die Richtwerte für die zulässige Dauerexposition der Bevölkerung des Komitees für nichtionisierende Strahlung der der Internationalen Strahlenschutzvereinigung (ICNIRP). Diese Richtwerte wurden unter Einbeziehung von Sicherheitszuschlägen anhand von unmittelbaren nachweisbaren Auswirkungen auf den menschlichen Körper in Form von Reizungen von Sinnesorganen, Nerven und Muskelzellen, Beeinflussung der Herzaktion und Wärmewirkungen erhoben. Baubiologen hingegen, richten sich nicht nur nach eindeutig nachweisbaren Auswirkungen sondern auch nach reinen Vermutungen über negative gesundheitliche Einflüsse elektromagnetischer Strahlung wie bspw. Schlafstörungen, Müdigkeit, Depressionen, Immunschwäche oder erhöhte Zellteilungsrate. Es ist somit nicht verwunderlich, dass die geforderten Grenzwerte von Baubiologen um den Faktor 500 bis 1000 niedriger sind als die Grenzwerte der 26. Bundesimmissionsschutzverordnung. Die Grenzwerte sind nicht konstant sondern von der jeweiligen Frequenz abhängig [4]. Tabelle 1 beinhaltet die Referenzwerte bzw. die Formeln zu deren frequenzspezifischen Ermittlung für die Exposition der Bevölkerung durch zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder der ICNIRP. 6

7 Tabelle 1: Referenzwerte für die Exposition der Bevölkerung durch zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder [5] Im Vergleich zu den ermittelten Maximalwerten an den PVModulen von 0,2365 V/m bei 117,89 khz beim elektrischen Feld und 0,0094 A/m bei 36,83 khz beim magnetischen Feld kann festgestellt werden, dass die Grenzwerte bei diesen Frequenzen um Größenordnungen höher liegen. EFeld ( khz) HFeld ( khz) EFeld ( Hz) BFeld ( Hz) gemessener max. Wert 0,2365 V/m 0,0094 A/m 90,9 V/m 0, µt Grenzwert nach ICNIRP 87 V/m 5 A/m 5000 V/m 500 µt baubiologischer Reichtwert 10 V/m 0,2 µt Tabelle 2: gemessene Maximalwerte in Bezug auf geltende Grenzwerte und baubiologische Richtwerte Der Vergleich zu einem herkömmlichen Schaltnetzteil eines Notebooks in Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigt, dass sich das elektrische und magnetische Feld im Bereich von khz an Komponenten von Photovoltaikanlagen im Wesentlichen nicht von den Feldern an anderen elektronischen Haushaltsgeräten unterscheiden. Im gezeigten Beispiel liegen die Feldstärkewerte des Schaltnetzteils wesentlich über denen am PVModul und am Wechselrichter. Zudem ist zu erwähnen, dass PVAnlagen nur bei Lichteinstrahlung während des Tages in Betrieb sind und nachts netzfrei geschaltet sind. Außerdem befinden sich PVGenerator und Wechselrichter i.d.r. fernab von Wohn 7

8 und Schlafräumen. Viele Netzteile hingegen werden rund um die Uhr betrieben und befinden sich oft in unmittelbarer Nähe zu Menschen. Abbildung 5: Vergleich EFeld khz Schaltnetzteil mit PVKomponenten Abbildung 6: Vergleich HFeld khz Schaltnetzteil mit PVKomponenten 8

9 Auch wurde ein Vergleich mit einer Hochspannungsleitung 220 kv zum Wechselrichter und der Rückseite des PVModuls durchgeführt. Es wurde in einem Abstand von ca. 15m unter der Hochspannungsleitung im Niederfrequenzbereich (10 Hz Hz) gemessen. Zu erkennen in Abbildung 7 ist, dass die Werte der elektrischen Strahlung der Hochspannungsleitung bis 1 khz unter den Werten der Komponenten einer Photovoltaikanlage liegen. Danach pendeln sich die Werte auf ein vergleichbares Niveau ein. Abbildung 7: Vergleich EFeld Hz Hochspannungsleitung mit PVKomponenten Das BFeld weißt wiederum andere Auffälligkeiten auf. Die Werte gemessen am Wechselrichter nähern sich nicht an die Werte der Hochspannungsleitung und des PVModuls an. Im magnetischen Bereich der Messung ist zu erkennen, dass die Werte der Hochspannungsleitung bis zu einer Frequenz von 1 khz über den Werten des PVModuls liegen. Erst bei der Frequenz von 1 khz pendeln sich auch diese Werte wieder auf ein vergleichbares Niveau ein. Was in Abbildung 8 erkennbar ist. 9

10 Abbildung 8: Vergleich BFeld Hz Hochspannungsleitung mit PVKomponenten Um die Emission von elektromagnetischer Strahlung an Komponenten von PVAnlagen zu reduzieren, gibt es neben der Erdung der Modulrahmen weitere Möglichkeiten: Verwendung von Wechselrichtern mit einem metallischen Gehäuse [6] Verwendung von Wechselrichtern mit Transformator, bei denen Gleichstromseite und Wechselstromseite galvanisch getrennt sind [7] Erdung des Minuspols auf der Gleichstromseite [4] Einsatz von Wechselrichtern mit Netzfilter auf Gleich und Wechselstromseite oder Installation zusätzlicher externer Netzfilter [7] Die Verlegung der Solarleitungen (+ und ) in geringem Abstand zueinander sorgt dafür, dass sich die elektromagnetischen Felder teilweise aufheben [8] Verlegung der Solarleitungen in Metallrohren zur Abschirmung der Felder [9] Verlegung der Gleichstromleitungen fernab von Wechselspannungsleitungen um ein Einkoppeln der Wechselfelder zu verhindern [9] 10

11 1 2 [ ] ( ) [ ] EEGStatistikbericht [ ] Erge, Thomas; Bendel, Christian; Bopp, Georg; Trümper, Thomas (1996): Elektromagnetische Verträglichkeit von PhotovoltaikAnlagen, in: Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 69/97, 1996, S [ ] Bopp, G.; Erge, Th.; Schätzle, R. (1999): Inwieweit tragen PVAnlagen zum Elektrosmog bei?, 14. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, [ ] ( ) 6 [ ] Bendel, C.; Jentsch, H.; Kirchhof, J.; Trümper, T. (1999): Sind normgerecht erstellte und installierte PVAnlagen elektromagnetisch Verträglich, 14. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, [ ] Haselhuhn, Ralf / Hemmerle, Claudia (2008): Leitfaden Photovoltaische Anlagen, 3. Auflage, Berlin: DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., [ ] Internet: Bopp, Werner (2006): Verursachen Photovoltaikanlagen Elektrosmog?, ( ) 9 [ ] Internet: Bopp, Werner (2006): Verursachen Photovoltaikanlagen Elektrosmog?, ( )

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