KAPAZITÄTSMESSUNG AN STANDARD- UND SONDERMODULEN

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "KAPAZITÄTSMESSUNG AN STANDARD- UND SONDERMODULEN"

Gerrit Schulze
vor 7 Jahren
Abrufe

1 KAPAZITÄTSMESSUNG AN STANDARD- UND SONDERMODULEN 12. TÜV Workshop Photovoltaik-Modultechnik Heinrich Berg, Min Hsian Saw Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE TestLab PV-Modules Köln, 13. November 2015

2 AGENDA Arbeitsgebiete TestLab PV-Modules Einleitung und Motivation Allgemeine elektrotechnische Grundlagen Vergleich der Messverfahren und Messgeräte Einflussfaktoren auf die Höhe der Kapazität am PV-Modul Kapazität als Indikator für Feuchte-Diffusion Kapazitive Ableitströme aufgrund AC-Ripple auf Generatorspannung Praxisbeispiel mit Berechnung auf Modul und Systemebene Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Arbeitsgebiete TestLab PV-Modules Modulprüfung, Analyse und Zertifizierung Fehleranalyse Identifikation von Fehlerursachen und relevante Belastungsfaktoren Prävention von Defekten Akkreditiertes Prüflabor nach IEC für die Prüfnormen IEC IEC IEC /2 3

4 Einleitung und Motivation Solarmodul als Kondensator? Anfrage aus Industrie bez. präziser Kapazitätsbestimmung Bringen unterschiedliche Messverfahren vergleichbare Messergebnisse? Welche Auswirkung haben Temperatur und Luftfeuchte auf die parasitäre Kapazität? Gibt es eine Spannungsabhängigkeit? Können anhand des Parameters Kapazität Erkenntnisse über die Feuchtediffusion in Einkapselungsmaterialien gewonnen werden? 4

5 Allgemeine elektrotechnische Grundlagen Elektrische Kapazität Berechnung der Kapazität des Kondensators C Für Gleichstrom gilt: Der Kondensator sperrt nach dem Ladevorgang den Gleichstrom Grundaufbau eines Kondensators Für Wechselstrom gilt: Der Kondensator wird ständig umgeladen was einen Blindstrom zur Folge hat. 5

6 Allgemeine elektrotechnische Grundlagen Kapazitives Verhalten beim PV-Modul Zustand 1: Trocken Zustand 2: Nass 6

7 Vergleich der Messverfahren: Messverfahren Ladekurve Hand LCR- Meter Tisch LCR- Meter T-RMS Testsignal DC AC AC AC Signalhöhe 500 V 1 Vrms 1 Vrms 230 Vrms Testfrequenz 0 Hz 1 khz 10 khz 50 Hz 7

8 Vergleich der Messverfahren Messungen an realem Kondensator und PV-Modul 1,2 Differenz max. 2,4 % 1,0 1,015 1,04 1,0337 "Ladekurve" Hand-LCR-Meter gemessene Kapazität in nf 0,8 0,6 0,4 0, ,3386 0, ,29632 Tisch-LCR-Meter "RMS" Differenz max. 81 % 0,4931 0,3419 0, ,2958 0,2 0,0 Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4 Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4 Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4 Kondensator Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B Messverfahren 8

9 Vergleich der Messverfahren Messungen an PVT-Kollektor (metallische Rückseite) Messwerte Differenz max. 6,3 % 35 PVT-Modul 30 29,46 28,02 27,7 29,24 gemessene Kapazität in nf "Ladekurve" Hand-LCR-Meter Tisch-LCR-Meter "RMS" Messverfahren PVT Kollektor - Meyer Burger AG 9

10 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität DC-Spannungsabhängigkeit 500 Beispiel Standardmodul 450 gemessene Kapazität in pf Messwerte Mittelwert Versuchsparameter: Messmethode: DC-Ladekurve Zustand des Moduls: trocken DC-Spannung in V 10

11 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität AC-Spannungsabhängigkeit (40 250V eff ) 320 Beispiel Standardmodule gemessene parasitäre Kapazität in pf AC-Spannung in Veff Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B Standardmodul Typ-C Versuchsparameter: Messmethode: T-RMS Zustand des Moduls: trocken 11

12 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor - Temperatur Versuchsparameter: gemessene Kapazität in pf TPT PETSiOx Primer-PET PP-PET RH = 20 % Temperaturbereich: von 45 C bis 95 C Messung nach 60 min Temperierung Temperatur in C 12

13 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor Feuchte/Betauung Versuchsparameter: T = 45 C und 85 C relative Luftfeuchtigkeit RH in % stabiler Zustand Feuchtigkeitsprofil zeitlicher Kapazitätsverlauf gemessene Kapazität in pf RH: von 25 % bis 95 % Intervall: 10 % Zeit in min 380 t 13

14 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor Feuchte/Betauung 220 relative Kapazitätsänderung in % T = 45 C T = 85 C relative Luftfeuchtigkeit in % 14

15 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor Feuchtediffusion Exponierung der Module gegenüber Damp-Heat-Bedingungen (T = 85 C und RH = 85 % 250 relative Kapazitätsänderung in % TPT PETSiOx Primer-PET PP-PET Zeit in h 15

16 Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor einseitige/beidseitige Benässung ,31 106, ,26 91,1 parasitäre Kapazität in nf Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B PVT 29,46 30,51 30,71 31,34 30,71 49,31 50, , , , ,4931 M5 M6 M7 M8 PVT M5 M6 M7 M8 PVT M5 M6 M7 M8 PVT trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung 16

17 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme 1,5 MW PV-Anlage auf Zypern / Betreiber Fa. FILKAB Solar Konfiguration des PV Generators 6116 PV Module mit 245 W Nennleistung 2046 Module von Typ 1 / 4070 Module von Typ 2 70 Inverter (Trafolos / dreiphasig) Inverterbeschaltung: 4 Strings mit jeweils 22 PV-Module Inverter-Abschaltung in Morgenstunden (Periode Oktober April) aufgrund zu hoher Ableitströme (bzw. zu geringem Isolationswiderstand?) 17

18 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme Spannungsverläufe an Solargeneratoranschlüssen Ableitströme > 50 ma sollen vermieden werden! AC- Ripplespannung 30-40V eff Frequenz: 150 Hz Potenzialverlauf des dreiphasigen transformatorlosen Wechselrichters mit geteiltem Spannungszwischenkreis und Hochsetzsteller 18

19 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme Kalkulation des Ableitstrom auf String/Inverter-Ebene Berücksichtigung des R ISO für DC- und AC-Anteil bez. auf Modulposition im String Berechnung des kapazitiven Blindstroms und Addition der Ableitströme (Parallelschaltung) Addition der String-Ableitströme zum Gesamt-Ableitstrom des Inverters 19

20 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme R ISO bei unterschiedlichen klimatischen Labor-Bedingungen Isolationswiderstand in MOhm Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung 20

21 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme C-Messung bei unterschiedlichen klim. Labor-Bedingungen ,31 106,14 gemessene Kapazität in nf Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B 30,51 30,71 31,34 30,71 90,26 91, , , , ,4931 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung 21

22 Praxisbeispiel Inverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme Theoretische Berechnung des Ableitstroms auf Inverter-Ebene Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B 124,1 125,1 Leckstrom per Inverter in ma ,07 36,28 37,12 36,33 106,2 107,1 0 0,6051 0,6016 0,6598 0,6042 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung 22

23 Fazit & Ausblick Solarmodule weisen neben dem Isolationswiderstand einen zu berücksichtigenden kapazitiven Anteil auf. Eine Absolutwert-Messung ist im trockenen Zustand aufgrund des nicht typischen Kondensator Aufbaus schwierig. Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, muss das Messverfahren, anzuwendende Parameter und die Umgebungsbedingungen spezifiziert werden. Die parasitäre Kapazität ist gering Temperaturabhängigkeit. Die Veränderung der elektrischen Kapazität ist besonders signifikant bei einer RH-Zunahme von 85 % auf 95 %. PVT Module weisen bauartbedingt eine wesentlich höhere parasitäre Kapazität auf. Trotzdem erreicht die Kapazität im komplett nassen Zustand nur ca. 50% der Kapazität eines Standard-Moduls (bezogen auf aktuelles Beispiel) 23

24 Fazit & Ausblick Ein deutlicher Unterschied in der Reaktion der Module auf die Feuchte- Wärme- Langzeit Exposition ist erkennbar. Ein qualitatives Erfassen der Feuchtigkeitsdiffusion ist möglich. materialabhängige Unterschiede könnten sichtbar gemacht werden. Ein In-Situ Monitoring während Feuchte-Wärme Alterung wird im TLPV evaluiert. Wie im aktuellen Praxis-Beispiel ersichtlich, muss die parasitäre Kapazität bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden. Andernfalls werden u.u. Gegenmaßnahmen (ext. Kompensationskondensator / spez. Regelungsverfahren / ext. Fehlerstromschutzschalter) erforderlich. 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heinrich Berg 25

Ähnliche Dokumente

Neue trafolose Wechselrichter-Topologie. für Dünnschicht-Technologien

Neue trafolose Wechselrichter-Topologie für Dünnschicht-Technologien 1. Einleitung Christian Buchholz, Thomas Hauser, Marco Schilli Sunways AG Macairestrasse 3-5 78467 Konstanz Tel.: +49 (7531) 99677-211