Ergänzung Arbeitspaket 5.3

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1 Ergänzung Arbeitspaket 5.3 Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht Marcus Reichard, Florian Reil, Annett Sepanski Feuerwehr Weblog Abschlusstreffen

2 Abschlussbericht Inhalt Arbeitspaket 5.6 Motivation Bisherige Arbeiten Aktivitäten TÜV Rheinland Recherche IST-Zustand Versuche Empfehlung Ausblick

3 Arbeitspaket 5.6 AP 5.6 Erstellung von Handlungsanweisungen für Feuerwehreinsatzkräfte in Zusammenarbeit mit den Berufsfeuerwehren für den Brandeinsatz bei Beteiligung einer PV-Anlage Im Hinblick auf die zusätzlichen Gefahren beim Brand von Gebäuden, an oder auf denen sich eine PV-Anlage befindet, sollen sowohl für die Feuerwehren, aber auch für die Betreiber, Handlungsanweisungen festgelegt werden. Die aktuellen Ergebnisse bisheriger Arbeitspakete fließen in diese Konzepte ein, welche in Form von normativen Leitvorschriften den Berufs- und Freiwilligenfeuerwehren und Anlagenbetreibern zur Verfügung gestellt werden. Ergänzung: Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht

4 Motivation Aufgabenstellung Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik, ob Kunstlicht gefährliche Ströme und Spannungen in PV-Anlagen erzeugen kann. Es sollen berücksichtigt werden: - Verschiedene Scheinwerferarten - Verschiedene Modultechnologien - Variable Abstände

5 Bisherige Arbeiten Prof. Dr. Häberlin Berner Fachhochschule Gefährdung der Feuerwehr beim Löschangriff an PV-Anlagen bei Mond- und Kunstlicht Versuche an längsorientierten Strängen mit Halogenscheinwerfern 1 kw und 2 kw Ergebnisse: - Bei Kunstlicht besteht keine Gefährdung - Inhomogene Ausleuchtung der Module durch längsorientierte Ausrichtung - Leerlaufspannung UL 60 % von UL-STC - Kurzschlussstrom IK 0,1 % von IK-STC Prof. Dr. Häberlin BFH-TI Sofern ein Mindestabstand von 12 m (1 kw) bzw. 17m (2 kw) eingehalten wird

6 Bisherige Arbeiten Underwriters Laboratories Inc. Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project November 2011 Im Auftrag des United States Department of Homeland Security und der Federal Emergency Management Agency wurden durch Underwriters Laboratories Inc. die möglichen Risiken, welche durch eine PV-Anlage für Einsatzkräfte der Feuerwehr entstehen können untersucht. Folgende Aspekte wurden untersucht (Auszug): - Stromschlaggefahr - Elektrisch isolierende Eigenschaften von Feuerwehr Handschuhen und Stiefeln - Zerstören von PV-Modulen unter Last zur Not-Freischaltung - Beurteilung der Gefährdung bei Bestrahlung der PV-Anlage durch - Feuerschein - Schwaches Umgebungslicht - Künstliches Licht

7 Bisherige Arbeiten Underwriters Laboratories Inc. Ergebnis: Die Einsatzstellenbeleuchtung der Feuerwehr kann in Abhängigkeit des Abstandes und der Leistung der Scheinwerfer die Gefahr eines elektrischen Schocks verursachen. Es ist nicht bekannt, mit welcher Scheinwerfertechnologie gearbeitet wurde (vermutlich Halogenlampen) und welche Bestrahlungsstärken erzeugt wurden. Underwriters Laboratories Underwriters Laboratories Bed: Ladefläche Boom: Ausleger

8 Aktivitäten TÜV Rheinland Zielsetzung Definition einer Abstandsformel, über die im Brandeinsatz mit beteiligter PV-Anlage der notwendige Mindestabstand zwischen Scheinwerfer und PV-Anlage bestimmt werden kann Anforderungen: - Allgemeingültige Anwendbarkeit (unabhängig von der vorhandenen Scheinwerfer- und Zelltechnologie) - Anwendung auch unter hoher psychischer und physischer Belastung möglich

9 Recherche IST-Zustand Scheinwerferarten - Theorie Glühlampen - Halogenscheinwerfer (H) Gasentladungslampen - Leuchtstofflampen (LS) - Halogen-Metalldampflampen (HM) - Natriumdampf-Hochdrucklampen (HN) - Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (HQ) - Xenon-Bogenlampen (Xenon) Leuchtdiode (LED - Light-Emitting Diode)

10 Recherche IST-Zustand Scheinwerferarten - Praxis Berufsfeuerwehr Deutschland Abfrage bei den Leitern der Berufsfeuerwehren in Deutschland ergab: Großflächige Einsatzstellenbeleuchtung durch: - Flutlichtscheinwerfer mit Glühlampen (H) Leistung: i.d.r [W] (selten auch 500 bzw [W]) Montage: Stativ, LiMa, DLK,... - Flutlichtscheinwerfer / Leuchtballons mit Gasentladungslampen (HM/HQ) - Leistung: i.d.r [W] - Montage: Stativ, LiMa, DLK,. - Arbeitsscheinwerfer mit Gasentladungslampen (Xenon) - Leistung: bis ~100 [W] - Montage: LiMa, DLK, - Arbeitsscheinwerfer mit LED-Lampen - Leistung: bis ~150 [W] - Montage: LiMa, DLK, Stativ, LiMa = Lichtmast DLK = Drehleiter mit Korb

11 Versuche Problemstellung (1/2) Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von seiner aufgenommenen Leistung? Vergleich unterschiedlicher Leistungsklassen innerhalb einer Scheinwerfertechnologie Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums bereits ausgeschlossen werden? Vergleich der spektralen Bestrahlungsstärke G E verschiedener Scheinwerfer mit der spektralen Empfindlichkeit S unterschiedlicher Zelltechnologien Scheinwerfer mit unkritischem Spektrum ermitteln Können Scheinwerfer auf Grund ihrer Bauform bereits ausgeschlossen werden? Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer ermittelt werden?

12 Versuche Problemstellung (2/2) Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung einer PV-Anlage? Auf die Bestrahlungsstärke G bezogen Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem / mehreren Modul(en) mit einem / mehreren Scheinwerfer(n) erzeugt werden? Worst-Case Körperwiderstand R K von 500 [Ω]

13 Versuche Gliederung

14 Versuche Verfügbare Scheinwerfer

15 Block 1 - Spektralvermessung Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Zelltechnologien Relative spektrale Empfindlichkeit S REL verschiedener Zelltechnologien (Werte können herstellerabhängig Unterschiede aufweisen)

16 Block 1 - Spektralvermessung

17 Block 1 - Spektralvermessung

18 Block 1 - Spektralvermessung Ergebnisse Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von seiner aufgenommenen Leistung? Ja, Scheinwerfer mit max. Leistung = Worst-Case (Unterschiede bedingt durch Schutzglas und Reflektor) Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums bereits ausgeschlossen werden? Nein, Ausschluss nur über die aufgenommene Leistung möglich Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer ermittelt werden? Nein, da η sich auf den visuellen Spektralbereich bezieht Definition kritischer Scheinwerfer-Zell-Technologien daher über den theoretisch in 3 [m] Abstand erzeugten Kurzschlussstrom I SC-ZELLE innerhalb einer Zelle

19 Block 1 - Verteilung d = 0,5 [m] d = 1 [m] d = 1,5 [m]

20 Block 1 - Verteilung Ergebnisse Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung einer PV-Anlage? Homogenität steigt, wenn - der Abstand zwischen Scheinwerfer und Modul vergrößert wird; - es zu einer Überlagerung mehrerer Scheinwerferkegel kommt;

21 Block 1 Scheinwerfer-Modul d = 6 [m] Module: [W] Scheinwerfer mono c-si (MSK Corporation, Modell LPS , I SC-STC : 6,58 [A], U OC-STC : 44,6 [V]) [W] Scheinwerfer poly c-si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, I SC-STC : 4,7 [A], U OC-STC : 43,3 [V])

22 Block 1 Scheinwerfer-Modul Module: [W] Scheinwerfer mono c-si (MSK Corporation, Modell LPS , I SC-STC : 6,58 [A], U OC-STC : 44,6 [V]) [W] Scheinwerfer poly c-si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, I SC-STC : 4,7 [A], U OC-STC : 43,3 [V])

23 Block 1 Scheinwerfer-Modul Module: [W] Scheinwerfer mono c-si (MSK Corporation, Modell LPS , I SC-STC : 6,58 [A], U OC-STC : 44,6 [V]) [W] Scheinwerfer poly c-si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, I SC-STC : 4,7 [A], U OC-STC : 43,3 [V])

24 Block 1 Scheinwerfer-Modul d = 0,5 [m]

25 Block 1 - Scheinwerfer-Modul Ergebnisse Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem Modul mit einem Scheinwerfer erzeugt werden? Bei Halogenscheinwerfer [W], d = 6 [m]: I RK=500Ω = 32,8 [ma] U RK=500Ω = 16,6 [V] I SC = 40,4 [ma] U OC = 30,9 [V] Extrapolation daher mit I SC - / U OC -Werten Gefährdungsgrenze: 25 [ma] (Obergrenze IEC Bereich 2) Minimalabstand: 8,75 [m]

26 Block 2 - Modellversuche Module: 6 x poly c-si in Reihe (Suntech, Modell STP150-24/Ac, I SC-STC : 4,7 [A], U OC-STC : 43,3 [V])

27 Block 2 - Modellversuche

28 Block 2 - Modellversuche Extrapolation Messwerte Vergleich der I SC -Extrapolationen aus Block 1 Versuch 3 mit den Messwerten aus Block 2 K6

29 Block 2 - Modellversuche Ergebnisse Welche Spannungen / Ströme können durch die Ausleuchtung mehrerer Module mit mehreren Scheinwerfern erzeugt werden? Beispielhaft für d = 10 [m] und 1 Strang (10 poly c-si Module in Reihe)

30 Versuche Schlussfolgerung Kunstlicht ist dazu in der Lage, Spannungen und Ströme in einer PV-Anlage zu erzeugen, welche als gefährlich zu beurteilen sind! Bedingung Senkrechte Einstrahlung auf Modulfläche Maximale Verteilungshomogenität der Bestrahlungsstärke Scheinwerfer = Punktstrahler Körperwiderstand R K = 0 [Ω] Kombination der kritischsten Scheinwerfertechnologie Ausrichtung der Scheinwerfer auf max. Bestrahlungsstärke Keine Verschattung der Module Randbedingung im Einsatz gegeben? Unwahrscheinlich Unwahrscheinlich Nein > 500 [Ω] Anwendung verschiedener Scheinwerfertechnologien Ausrichtung der Scheinwerfer auf max. Beleuchtungsfläche Teilverschattung durch z.b. Rauch

31 Empfehlung Abstandsformel Als Grundabstand für [W] Leistung gilt 10 [m] Wenn die Scheinwerferleistung erhöht wird: Grundabstand + 1,5 [m] je [W] zusätzlicher Leistung Anwendbar auch unter hoher psychischer und physischer Belastung Allgemeingültig für jede Scheinwerfertechnologie anwendbar

32 Empfehlung Abstandsformel - Überprüfung d PAUF >1kW = 10 m + P AUF kw 1, 5 m kw

33 Ausblick Block 3 Überprüfung der Abstandsformel an bestehender PV-Anlage Größenordnung Ein- bzw. Mehrfamilienhaus Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit mono c-si Zellen Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit I SC-STC > 4,7 [A]

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!