Fehleranalyse an Photovoltaikmodulen

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1 Fehleranalyse an Photovoltaikmodulen Prof. Konrad Mertens Labor für Optoelektronik und Sensorik, Photovoltaik-Prüflabor Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Fachhochschule Münster

2 Gliederung Welche Standard-Messmethoden gibt es? Motivation für LowCost-Outdoor-EL Umbau von Spiegelreflexkameras Optimierung der Technik für Outdoor-EL Wie werden die Messungen durchgeführt? Konkrete EL-Messbeispiele Was kann man damit sonst noch anfangen? Fazit 2

3 Welche Standard-Messmethoden gibt es? 3

4 1. Leistungsmessung im Flasher Prinzipieller Aufbau Xenon Lampe Elektronische Last Referenzzelle Reihenuntersuchungen für Hersteller und Importierer Erstellung von Gutachten in Gerichtsverfahren (Garantie etc.) 4

5 1. Leistungsmessung im Flasher Beispielmessung: Modul ok Geringe Messtoleranz: +/- 3 % 5

6 1. Leistungsmessung im Flasher Beispielmessung: unterschiedlich gute Zellen 6

7 2. Peakleistungsbestimmung vor Ort Kennlinenmessung mit Aufnahme von Einstrahlung und Temperatur Gesamter String wird gemessen 7

8 2. Peakleistungsbestimmung vor Ort Beispielmessung: unterschiedlich gute Module Messtoleranz: > +/- 5 % 8

9 3. Thermographie Beispiel: einzelne Zellen defekt Deutlich erkennbare Fehler 9

10 3. Thermographie Probleme Foto: G. Behrens unklares Fehlerbild Reflexionen Foto: G. Behrens gutes Wetter notwendig 10

11 4. Elektrolumineszenz Prinzip: Modul wird bestromt und leuchtet im Infrarotbereich Solarmodul Infrarotlicht Strom Kamera Netzteil 11

12 4. Elektrolumineszenz Beispielmessung 12

13 Motivation für LowCost-Outdoor-EL 13

14 Motivation 1 Normalerweise: EL-Messung im Labor Vorteile: + Kein Umgebungslicht + Stabile Messbedingungen + Man wird nicht nass Nachteile: - Demontage, Transport, Messung im Labor, Transport, Neumontage Riesenaufwand - Ggf. zusätzliche Schäden (Mikrorisse etc.) durch Demontage und Transport - Es werden immer nur einzelne Module vermessen 14

15 Motivation 2 Modulpreise gehen zurück Quelle: K. Mertens: Lehrbuch Photovoltaik [1] z.b.: 2010: Modul kostete Euro Flasher- u. EL-Messung kostete zusammen 250 Euro Zusätzlich Demontage und Transport 2016: Modul kostet Euro Demontage- und Transportkosten sind gleich geblieben Flasher- u. EL-Messung kostet zusammen?? Euro 15

16 Motivation 3 Günstige EL-Kameras möglich Paper Staffelstein 2012: [2] Mertens, K., Stegemann, Th., Stöppel, T.: LowCost EL: Erstellung von Elektrolumineszenzbildern mit einer modifizierten Standard-Spiegelreflexkamera Normale Spiegelreflexkamera (300 ) einfach umbaubar für EL-Messungen Zusammen mit IR-Objektiv und Kleinteilen: ca. 900 Raus aufs Dach damit! 16

17 Umbau von Spiegelreflexkameras 17

18 Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissionsspektrum in % Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissionsspektrum in % Umbau von Spiegelreflex-Kameras EL-Spektrum liegt im Infrarotbereich CCD-Sensor ist dort unempfindlich Nur schwaches EL-Signal! Wellenlänge in µm Rel. Emissionsspektrum von c-si Quelle: [3] ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 UV sichtbar Empfindlichkeit des Si-CCD-Sensors IR Gemessene Lumineszenz Kamera enthält Sperrfilter für IR muss ausgebaut werden! ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 UV sichtbar IR IR-Sperrfilter Wellenlänge in µm

19 Umbau von Spiegelreflex-Kameras Arbeitsplatz mit benötigten Werkzeugen Kamera geöffnet, Bildsensor freigelegt Bildsensor entfernt, IR-Filter freigelegt IR-Filter entfernt 19

20 Umbau von Spiegelreflex-Kameras Qualitätsvergleich Spezialkamera (> ) Canon EOS 1100D (300 ) Absolut ausreichend für die Erkennung von Fehlern 20

21 Optimierung der Technik für Outdoor-EL 21

22 Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissionsspektrum in % Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissionsspektrum in % Optimierung der Technik für Outdoor-EL Problem: Sonnenlicht stört! Abhilfe: Tageslichtfilter Das reicht noch nicht Zusätzliches IR-Kantenfilter Sonnenspektrum Wellenlänge in µm Rel. Emissionsspektrum von c-si ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 UV Sperrbereich Tageslichtfilter sichtbar IR Wellenlänge in µm Rel. Emissionsspektrum von c-si ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 UV sichtbar Sonnenspektrum IR- Kantenfilter Sperrbereich Tageslichtfilter IR Sperrbereich Infrarotfilter Gemessene Lumineszenz Gemessene Lumineszenz 22

23 Helligkeit (Grauwerte, 8 bit) Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissionsspektrum in % Optimierung der Technik für Outdoor-EL Optimierung der Filterkantenwellenlänge Vergleich bestromtes und unbestromtes Modul: Wellenlänge in µm Rel. Emissionsspektrum von c-si ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 UV Sperrbereich Tageslichtfilter sichtbar Sonnenspektrum IR- Kantenfilter IR unbestromt (nur Sonnenlicht) bestromt (Sonnenlicht und EL-Licht) Optimum! Kantenwellenlänge des IR-Filters in nm 23

24 Optimierung der Technik für Outdoor-EL Ergebnis (soeben untergegangene Sonne ) Nur Tageslichtfilter: Tageslichtfilter und Kantenfilter (1050 nm): Differenzbild (bestromt minus unbestromt): Im vollen Sonnenlicht: bisher keine auswertbaren Aufnahmen, ggf. lösbar über Lock-In-Technik 24

25 Wie werden die Messungen durchgeführt? 25

26 Wie werden die Messungen durchgeführt? Typischer Messaufbau IR Kamera Laptop Hochvolt- Netzteil USB USB Stringbestromung über Netzteil (z.b. halber Kurzschlusstrom) Scharfstellung im Videomodus Belichtungszeiten zwischen 0,5 und 5 sek Ggf. Differenzbildaufnahme (bestromt, unbestromt) 26

27 Wie werden die Messungen durchgeführt? Verwendetes Netzteil pvserve : U = V, I = 0-5 A, P Max = 3,3 kw Betreibbar an 230 V - Steckdose Fernsteuerbar über USB-Bus 27

28 Konkrete EL-Mess-Beispiele 28

29 Konkrete EL-Messbeispiele Wie sind die Strings verkabelt? String 1: String 2: Foto: M. Diehl Foto: M. Diehl 29

30 Konkrete EL-Messbeispiele Aufnahme Flachdachanlage Gesamtansicht: Detailansicht: 30

31 Konkrete EL-Messbeispiele Aufnahme Schrägdachanlage Gesamtaufnahme: Detailaufnahme: Mikroriss Hotspot Inaktive Zellverbinder Foto: M. Diehl 31

32 Konkrete EL-Messbeispiele Fehlerbild: Bypassdioden im Kurzschluss aktiver Zellstring überbrückte Zellstrings intaktes Modul Foto: M. Diehl 32

33 Konkrete EL-Messbeispiele Fehlerbild: Potentialinduzierte Degradation (PID) Foto: M. Diehl Foto: M. Diehl Effekt ist Vorort eindeutiger zu ermitteln als am Einzelmodul im Labor! Hochvolt-Netzteil kann ggf. zur Heilung der PID genutzt werden ( V gegen Masse) 33

34 Was kann man damit (mit dem Netzteil) sonst noch anfangen? 34

35 Was kann man damit sonst noch anfangen? Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden Anlegen einer negativen Spannung an den String: Betroffenes Modul heizt sich auf 35

36 Was kann man damit sonst noch anfangen? Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden Mit Thermographie ist betroffenes Modul leicht zu finden Betroffener Zellstring 36

37 Was kann man damit sonst noch anfangen? Rückstromthermographie ( Nacht-Thermographie ) Foto: M. Diehl Hotspots (durch Kontaktfehler) deutlich besser detektierbar als bei Tag-Thermographie (keine Aufheizung der Zellen durch Sonnenlicht, keine Reflexionen des Sonnenlichts) 37

38 Was kann man damit sonst noch anfangen? Schnee abtauen 38

39 Was kann man damit sonst noch anfangen? Schnee abtauen 39

40 Was kann man damit sonst noch anfangen? Schnee abtauen 40

41 Fazit 41

42 Fazit Vorort-Modul-Messungen bringen viele Vorteile Umgebaute Spiegelreflex-Kameras zeigen hohe EL-Qualität Zusätzliches IR-Kantenfilter erlaubt Messungen auch bei schwachem Tageslicht Outdoor-EL spürt Vielzahl von Fehlerarten eindeutig auf Hochvolt-Netzeil erlaubt weitere Analysen der Anlage Inzwischen auch EL-Videos möglich! LowCost-Outdoor-El wird Standardmessmethode neben Kennlinienmessung und Thermographie 42

43 Lehrbuch Photovoltaik Photovoltaik endlich mal wirklich verstehen 43

44 Alle Abbildungen zum Download: 44

45 Freie PV-Software zum Download: Kennliniensimulation 45

46 Freie PV-Software zum Download: Renditeberechnung 46

47 Vortragsfolien 47

48 Danke für die Aufmerksamkeit! Quellen: [1] Mertens, K.: Photovoltaik Lehrbuch zu Grundlagen, Theorie und Praxis, 3. Auflage, Hanser Verlag, 2015 [2] Mertens, K., Stegemann, Th., Stöppel, T.: LowCost EL: Erstellung von Elektrolumineszenzbildern mit einer modifizierten Standard- Spiegelreflexkamera, 27. Symposium Photovoltaische Solarenergie, S , Staffelstein, 2012 [3] Köntges, M. et al.: Elektrolumineszenzmessung an PV-Modulen, ep Photovoltaik aktuell, Heft 7 8/2008, S