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1 Lichtbogenversuche an Verbindungsstellen - Untersuchungen zur Risikobeurteilung - Brandschutz und Lichtbogenrisiko bei PV-Anlagen am 26. Januar 2012, Köln Forschungsprojekt Bewertung des Brandrisikos in PV-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung Dipl.-Ing. Annett Sepanski, Dipl.-Ing. Florian Reil, Dipl.-Ing. Willi Vaaßen, Mirco Vosen TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH Am Grauen Stein, Köln, Germany Tel.: 0221/ , Fax 0221/

2 Inhalt 1. Kritische Verbindungsstellen 2. Vorgehen zur Risikoreduzierung 3. Normen zur Risikobeurteilung 4. Methodik der Risikobeurteilung 5. Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit für einen Lichtbogen 6. Definition von Versuchsreihen 7. Weitere Arbeiten 2

3 2. Kritische Verbindungsstellen Anschlussdose mit elektrischen Anschlüssen, Bypassdioden, Füllmaterial 3

4 2. Kritische Verbindungsstellen 4

5 2. Vorgehen zur Risikoreduzierung Risikoanalyse von Verbindungsstellen Fehler- und Schadensanalysen (Recherchen, Umfrageaktion) Vergleichende LB-Untersuchungen (aktuelle und ältere c-si Technologien) Ableitung von sinnvollen Vorgaben für Verbindungen Designanforderungen (z.b. Materialien, Ausführungsarten) Definition von möglichen Maßnahmen zur Qualitätssicherung Anforderung an Inline-Qualitätsprüfung Anforderung an Qualifikationstests im Prüfinstitut Risikoreduzierung von Lichtbögen 5

6 3. Grundlagen einer Risikobeurteilung Normen zur Durchführung einer Risikobeurteilung Internationale Norm DIN EN ISO 12100: Sicherheit von Maschinen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze - Risikobeurteilung und Risikominderung Sicherheitsfachgrundnorm -allgemeine Leitsätze zur Risikobeurteilung und Risikominderung Internationale Norm E DIN EN ISO 14798: Verfahren für eine konsistente und systematische Risikobeurteilung und Minderung bei Aufzügen und Fahrtreppen 6

7 4. Methodik der Risikobeurteilung Risikobeurteilung Brandgefahren durch Lichtbogen Grenzen bestimmen Brandgefahren durch die PV-Anlage Risikoanalyse Risikobeurteilung Gefährdungen, Gefährdungssituationen, Schadensereignisse identifizieren Risiken einschätzen Risiken bewerten Schlechte Lötverbindung, Alterung der Verbindung Thermo-mechanische Belastung, Überhitzung, Abriss, LB-Zündung, Übergriff Einschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit, Auswirkung des Ereignisses Entdeckungsmöglichkeiten Risiken hinreichend gemindert? Nein Ja Ende Aufstellen einer Risikomatrix Priorisierung der Risiken Entscheidung: Risikominderung Lösungsvorschläge Risiken vermindern 7

8 4. Methodik der Risikobeurteilung Risikoanalyse Das Fehlen einer Unfallgeschichte, eine geringe Anzahl an Unfällen oder das geringe Ausmaß der Unfallfolgen sollte nicht automatisch zu der Vermutung eines geringen Risikos führen. Das mit einem bestimmten Szenario einhergehende Risiko leitet sich aus einer Kombination der folgenden Elemente ab: a) Schwere des Schadens (Ausmaß) b) Wahrscheinlichkeit des Eintretens des Schadens Präsentation TÜV Rheinland

9 4. Methodik der Risikobeurteilung Schadensausmaß a) Schwere des Schadens Stufe 1 hoch Stufe 2 mittel Stufe 3 niedrig Stufe 4 unbedeutend Hierbei wird die Art der/des Betroffenen berücksichtigt in folgender Priorität 1) Personen (mögliche Anzahl) 2) Güter 3) Umwelt und 4) andere zutreffende Faktoren Präsentation TÜV Rheinland

10 4. Methodik der Risikobeurteilung Eintrittswahrscheinlichkeit b) Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines Schadens ist die kombinierte Wahrscheinlichkeit aus - des Eintritts der Gefährdungssituation (Häufigkeit und Dauer) - der Ursache und - der Auswirkung Einschätzung erfolgt nach 6 Kategorien Kategorie A sehr wahrscheinlich; Kategorie B wahrscheinlich; Kategorie C gelegentlich: Kategorie D selten Kategorie E unwahrscheinlich Kategorie F sehr unwahrscheinlich (praktisch = 0) Präsentation TÜV Rheinland

11 5. Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit für einen LB Versuch einer Risikoeinschätzung: 1. Wahrscheinlichkeit für das Aufbrechen einer Verbindung P(A1) 2. Wahrscheinlichkeit für die Zündung eines Lichtbogens P(A2) 3. Wahrscheinlichkeit für Ausbildung eines stabilen Lichtbogens P(A3) 4. Eintrittswahrscheinlichkeit für einen stabilen Lichtbogen P(A) = P(A1) * P(A2) * P(A3) 11

12 6. Definition von Versuchsreihen Test- und Analyseverfahren Versuchsreihen Die härtesten Prüfungen sind die Klima-Simulationsprüfungen, insbesondere für Verbinder die Temperaturzyklentests ( C) Zur gezielten Alterung von Verbindungsstellen bis zum Abriss Wahl einer Kombination aus: 1. Temperatur-Zyklentest (unter Bestromung ) 2. Dynamischer Belastungstest (unter Bestromung ) 3. Zyklische Analysen und Vergleich Analyseverfahren 1. Optische Untersuchungen (Visuelle Inspektion, EL, IR) 2. Elektrische Messungen (u.a. IU-Kennlinien, Bus-Bar-Verbindungen ( Interrupt ), Kennlinien der Bypass-Dioden, RS-Bestimmung) 3. Chemisch Optische Verfahren (Werkstoffprüfung, Mikroskopie) 12

13 5. Vorgehen zur gezielten Alterung Versuchsstand Dynamische Belastung Schematische Darstellung des ML-Teststands mit bestromten Modulen 13

14 14

15 6. Definition von Versuchsreihen Erste Versuchsreihen 25 PV-Module aus dem Reklamationsbestand eines großen Systemhauses alle mit ca. 5 Jahren Außenbewitterung in Deutschland (1 Anlage) (Die Laborversuche laufen aktuell im Rahmen einer Bachelorarbeit.) Diverse Fehler, z.b. Hot Spots (Verbrennungen/Verschmorungen am Zellverbinder) verschiedener Ausprägungen Vorteile: Ziel: - Module sind bereits degradiert auch mit vorhandenen Unterbrechungen in den Verbindern - verschiedene Entwicklungsstadien von Hot Spots Beobachtung, Materialuntersuchungen können hier zum Kenntnisgewinn erfolgen - Verfahrensentwicklung zur optimalen Alterung (Parametrisierung) 15

16 6. Definition von Versuchsreihen Visuelle Eingangsuntersuchung Visuelle Kontrolle: Einzelne Module weisen erhebliche Schäden durch durchgebrannte Kontaktstellen an den Rückseitenfolien auf (Verbindungen sind unterbrochen) 16

17 6. Definition von Versuchsreihen Eingangsmessungen Vergleich EL-/ IR- Aufnahme Kennlinie bei STC Modul hat neben dem sichtbar durchgebrannten Hotspot offensichtlich bereits erhebliche Zellschäden und weitere Unterbrechungen. Degradationsprozesse an den Zellverbindern aktivieren nicht zwingend die Dioden. 17

18 6. Definition von Versuchsreihen Durchführung Belastungen 50 Zyklen Klimakammer 1800 Zyklen ML (dynamisch, 12 s Zyklusdauer, 2400 Pa, mit ca. 2,5 cm max. Durchbiegung, Bestromung mit 2-fachem I SC Unter Ruhebedingungen wurde eine Temperaturerhöhung im Modul auf durchschnittlich 50 C mit Hotspots 110 C festgestellt (mit Bewegung durchschnittlich 44 C 80 ) Belastungsgrenze nach weiteren 130 Zyklen erreicht Lichtbogen wurde gezündet! Dauer des Lichtbogens ca. 1 s, deutlich sichtbar ca. 20 cm Flamme, eventuell durch Bewegung wieder gelöscht (Verbindung kurzzeitig wiederhergestellt?) 18

19 6. Definition von Versuchsreihen Ergebnisse Fazit aus dem 1. Versuch: Für stark degradierte Module (vom Feld) konnte ohne Manipulation ein Lichtbogen an einem Zellverbinder gezündet werden. Die Zündstelle entsprach nicht den bis dahin heißesten Stellen Der Testablauf / Parametrisierung sollte optimiert werden. 19

20 7. Weitere Arbeiten 1. Weiterentwicklung der Testprozeduren 2. Stressung von Modulen aus aktueller Fertigung Nutzung der EL-Aufnahmen zum Degradationsnachweis Beobachtung des Verlaufs (gibt es typische Verläufe?) bei einem Zellverbinderabriss unter möglichst anwendungsnahen Bedingungen 3. Vergleiche verschiedener Modultypen (Technologien) 4. Entwicklung von Teststrukturen zu Verbindungsstellen in der Modulanschlussdose und Steckverbindungen 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dank an die Projektpartner und Förderer

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