Innovative Untersuchungsmethoden zur Fehleranalyse von Photovoltaikanlagen

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1 Innovative Untersuchungsmethoden zur Fehleranalyse von Photovoltaikanlagen 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 Fazit 2

3 Zur Person Studium und Promotion (Elektrotechnik) an der RWTH Aachen Industrietätigkeit im Bereich Erneuerbare Energien und Intelligente Netze Seit 2000 Professor an der Fachhochschule Münster: Lehre: Photovoltaik Sensorik Lichtwellenleitertechnik Forschung: Photovoltaik-Prüflabor Qualitätsüberprüfung von Photovoltaikanlagen 3

4 Welche Standard-Messmethoden gibt es? 4

5 1. Leistungsmessung im Flasher Prinzipieller Aufbau Xenon Lampe Elektronische Last Referenzzelle 5

6 1. Leistungsmessung im Flasher Messdurchführung Reihenuntersuchungen für Hersteller und Importierer Erstellung von Gutachten in Gerichtsverfahren (Garantie etc.) 6

7 1. Leistungsmessung im Flasher Beispielmessung: Modul ok Geringe Messtoleranz: +/- 3 % 7

8 1. Leistungsmessung im Flasher Beispielmessung: unterschiedlich gute Zellen 8

9 2. Peakleistungsbestimmung vor Ort Kennlinenmessung mit Aufnahme von Einstrahlung und Temperatur Gesamter String wird gemessen 9

10 2. Peakleistungsbestimmung vor Ort Beispielmessung: unterschiedlich gute Module Messtoleranz: +/- (5 % bis 10 %) 10

11 3. Thermographie Beispiel: einzelne Zellen defekt Deutlich erkennbare Fehler 11

12 3. Thermographie Probleme Foto: G. Behrens Foto: G. Behrens unklares Fehlerbild Reflexionen Foto: G. Behrens gutes Wetter notwendig 12

13 4. Elektrolumineszenz Prinzip: Modul wird bestromt und leuchtet im Infrarotbereich Solarmodul Infrarotlicht Strom Kamera Netzteil 13

14 4. Elektrolumineszenz Beispielmessung 14

15 Motivation für LowCost-Outdoor-EL 15

16 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 16

17 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 17

18 Motivation 3 Günstige EL-Kameras möglich Veröffentlichung 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! 18

19 Umbau von Spiegelreflexkameras 19

20 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

21 Umbau von Spiegelreflex-Kameras Arbeitsplatz mit benötigten Werkzeugen Kamera geöffnet, Bildsensor freigelegt Bildsensor entfernt, IR-Filter freigelegt IR-Filter entfernt 21

22 Umbau von Spiegelreflex-Kameras Qualitätsvergleich Spezialkamera (> ) Canon EOS 1100D (300 ) Absolut ausreichend für die Erkennung von Fehlern 22

23 Optimierung der Technik für Outdoor-EL 23

24 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 24

25 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 25

26 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 26

27 Wie werden die Messungen durchgeführt? 27

28 Wie werden die Messungen durchgeführt? Typischer Messaufbau IR Kamera Laptop Hochvolt- Netzteil USB USB Stringbestromung über Netzteil (z.b. halber Kurzschlusstrom) Belichtungszeiten zwischen 0,5 und 5 sek Ggf. Differenzbildaufnahme (bestromt, unbestromt) 28

29 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 29

30 Konkrete EL-Mess-Beispiele 30

31 Konkrete EL-Messbeispiele Wie sind die Strings verkabelt? String 1: String 2: Foto: M. Diehl Foto: M. Diehl 31

32 Konkrete EL-Messbeispiele Aufnahme Flachdachanlage Gesamtansicht: Detailansicht: 32

33 Konkrete EL-Messbeispiele Aufnahme Schrägdachanlage Gesamtaufnahme: Detailaufnahme: Mikroriss Hotspot Inaktive Zellverbinder Foto: M. Diehl 33

34 Konkrete EL-Messbeispiele Fehlerbild: Bypassdioden im Kurzschluss aktiver Zellstring überbrückte Zellstrings intaktes Modul Foto: M. Diehl 34

35 Konkrete EL-Messbeispiele Fehlerbild: Potentialinduzierte Degradation (PID) Foto: M. Diehl Foto: M. Diehl Effekt ist Vorort eindeutiger zu ermitteln als am Einzelmodul im Labor! 35

36 Was kann man damit (mit dem Netzteil) sonst noch anfangen? 36

37 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 37

38 Was kann man damit sonst noch anfangen? Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden Mit Thermographie ist betroffenes Modul leicht zu finden Betroffener Zellstring 38

39 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) 39

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

41 Was kann man damit sonst noch anfangen? Schnee abtauen 41

42 Was kann man damit sonst noch anfangen? Schnee abtauen 42

43 Fazit 43

44 Fazit Vorort-Modul-Messungen bringen viele Vorteile Umgebaute Spiegelreflex-Kameras zeigen hohe EL-Qualität Outdoor-EL spürt Vielzahl von Fehlerarten eindeutig auf Hochvolt-Netzeil erlaubt weitere Analysen der Anlage Inzwischen auch EL-Videos möglich! LowCost-Outdoor-EL etabliert sich als Standardmessmethode neben Kennlinienmessung und Thermographie 44

45 Lehrbuch Photovoltaik Photovoltaik endlich mal wirklich verstehen 45

46 Alle Abbildungen zum Download: 46

47 Freie PV-Software zum Download: Kennliniensimulation 47

48 Freie PV-Software zum Download: Renditeberechnung 48

49 Vortragsfolien 49

50 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