Neuartige Methoden zur Qualitätssicherung und Fehlersuche. Nicolas Bogdanski TÜV Rheinland Heribert Schmidt FhG ISE

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Frauke Gerstle
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1 Neuartige Methoden zur Qualitätssicherung und Fehlersuche Nicolas Bogdanski TÜV Rheinland Heribert Schmidt FhG ISE

2 Inhalt Motivation Qualitätssicherung und Fehlersuche Fehlertypen von Interesse Ursachen für Fehler Fehlererkennung durch induktive Sensorik Angewandte Messung (erweiterte Laboranalyse) Vorschlag zu Inlinemessung Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

3 Aufgabenstellung Z. Zt. in D ca. 30 GW p PV installiert Das sind ca. 150 Mio. Module Das sind ca. 450 Mio. Bypass-Dioden Das sind ca. 10 Mrd. Solarzellen (3 W p ) Das sind ca. 50 Mrd. Lötstellen Es gibt schlechte Lötstellen Es gibt gebrochene Zellen / Bändchen Es gibt offene Bypass-Dioden Es gibt kurzgeschlossene Bypass-Dioden Es gibt (systematische!!!!) Mehrfachfehler Wie können diese Fehler im Feld gefunden werden? Quelle: Lutz Erbe, VGH 3 Fraunhofer ISE

4 Betrieb mit Unterbrechung und intakter Bypass-Diode Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom I Zelle = 0 Strangstrom fließt über Bypass-Diode I Bypass = I Strang U Bypass ~ 0,5 V Sperrspannung über Bruchstelle: U Bruch = n U Zelle + U Bypass ~ (n + 1) U OC_Zelle U Bruch ~ V Lichtbogen kaum möglich Brutzelnder Wackelkontakt gut möglich 4 Fraunhofer ISE

5 Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom I Zelle = 0 Bypass-Diode sei unterbrochen (z. B. wegen dauernder thermischer Überlastung!) I Bypass = I strang = 0 Spannung über Bruchstelle (worst case): U Bruch = U OC_Strang!!!! Lichtbogen hoher Leistung im Modul oder über Bypass-Diode sehr wahrscheinlich!!!! 5 Fraunhofer ISE

6 Brandrisiko: Ursachen Zellverbinderrisse Durch Probleme bei der Verlötung von Zellen zu Strings Durch mechanische Beanspruchung im Feld Durch tägliche Temperaturwechsel (z.b. Tag / Nacht) Defekte Bypassdioden Durch Überspannungen während der Produktion (ESD) Durch Überspannungen im Feld Durch thermische Überlastung! Beide Arten von Fehlern bleiben oft unentdeckt da: Sie durch übliche Ausgangskontrollen im Werk u. U. nicht erkannt werden Sie bei Anlagenwartung und inspektion selten erkannt werden Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

7 Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (kapazitiv und induktiv, Staffelst. 1997) 7 Fraunhofer ISE

8 Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (induktiv) Kazuhiko Kato AIST 8 Fraunhofer ISE

9 Induktive Verfahren zur Erkennung von Unterbrechungen Sensor X X I Busbar V Sensor Abschattung Str.1 Str.2 Str.3 Detektion gebrochener Busbars Detektion defekter (offener) Bypassdioden Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

10 Induktive Verfahren zur Erkennung von Unterbrechungen - nach Belastungstests - Temperaturwechsel Test laut IEC und IEC (50 oder 200 Zyklen): Simulation thermischer Wechselbelastung im Feld zur Überprüfung des Busbar-Designs Auswertung durch Kennlinienmessung (und Elektrolumineszenz / IR-Analyse (nach Norm nicht gefordert)) Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

11 Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design Elektrolumineszenz-Aufnahme nach Belastungstest (200 Zyklen) Reil Kennlinie nach Belastungstest Ein kleiner Anteil von Modulen weist bei qualifizierenden Messungen Designfehler auf, diese sind in der Regel einfach zu detektieren. Strom[A] Δ P => > 50% Spannung [V] Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

12 Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design - Analyse mittels EL / IR - Überlagerung einer EL und einer IR Aufnahme des gleichen Moduls! Analyse und Identifizierung des genauen Orts der Unterbrechung durch EL und / oder IR ist nicht immer möglich. Zur Verbesserung der Qualität ist genaue Anzahl von Verbinderrissen aber auch eine mögliche Früherkennung wichtig Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

13 Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design - Analyse mittels induktivem Verfahren - Analyse jeder Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen normaler Stromfluss geringer Stromfluss starker Stromfluss Busbars Zellen Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

14 Auswirkung erweiterte Modultests - Qualitätsanalyse für Busbars - Analyse von Produktqualität durch Überbeanspruchung => Ermittlung von Ausfallraten von Busbars Änderung Modulleistung IEC Test Anzahl Zyklen Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

15 Auswirkung erweiterte Modultests - Analyse mittels induktivem Verfahren - Analyse jeder Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen normaler Stromfluss geringer Stromfluss starker Stromfluss Busbars Trotz starker Überbeanspruchung halten sich die Änderungen in Grenzen! => Wie groß muss die Änderung sein damit sie signifikant ist und auf Ermüdung hindeutet? Zellen Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

16 Auswirkung erweiterte Modultests - Analyse mittels induktivem Verfahren - Signifikanz der Messwerte 1,4 Summe der Ströme durch Zelle muss gleich sein! Summe Ströme Busbars [a.u.] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0! Ursache von Abweichungen muss noch geklärt werden Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

17 Grundprinzip der In-Situ-Messung (nur induktives Verfahren) Impedanz -Sensoren DAQS X - Sensor X Bewegungs-Richtung des Moduls Messgröße Obere Toleranzgrenze Untere Toleranzgrenze X Fraunhofer ISE

18 Was ist zu tun? Relevanz der beobachteten Abweichungen untersuchen Zulässige Grenzwerte der Abweichungen definieren Korrelation mit anderen Messverfahren (EL, IR, etc.) Einfluss von Beleuchtung / Stromfluss während der Messung Eignung für andere Zell-/Modultechnologien (z. B. Rückseiten-Kontakt) Messstand mit mehreren Sensoren und Messwerterfassung aufbauen Kombination der Verfahren Induktiv und Stromschnüffler erproben Intelligente Software entwickeln (z. B. selbstlernend) Einbau und Erprobung von Prototypsystem in Modul-Fertigungslinie Umsetzung in Industrieprodukt mit Industriepartner Fraunhofer ISE

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heribert Schmidt 19 Fraunhofer ISE

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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