FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE Verfahren zur Detektion von Unterbrechungen in Solargeneratoren und zur Überprüfung von Bypass-Dioden eine Ideensammlung Heribert Schmidt Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 2. Workshop PV-Brandschutz Freiburg, 24.01.2013 www.ise.fraunhofer.de
AGENDA Aufgabenstellung Anforderungen an die Systeme Einige Grundlagen (sorry ) Suche nach offenen (nicht leitenden) Bypass-Dioden Suche von Unterbrechungen im Modul Suche nach kurzgeschlossenen Bypass-Dioden im Modul Zusammenfassung und Ausblick 2
Aufgabenstellung Z. Zt. in D ca. 30 GW p PV installiert Das sind ca. 150 Mio. Module Das sind ca. 450 Mio. Bypass-Dioden Das sind ca. 10 Mrd. Solarzellen (3 W p ) Das sind ca. 50 Mrd. Lötstellen Es gibt schlechte Lötstellen Es gibt gebrochene Zellen / Bändchen Es gibt offene Bypass-Dioden Es gibt kurzgeschlossene Bypass-Dioden Es gibt (systematische!!!!) Mehrfachfehler Wie können diese Fehler im Feld gefunden werden? Quelle: Lutz Erbe, VGH 3
Randbedingungen / Anforderungen Messung möglichst im laufenden Betrieb Messung möglichst nur an den Klemmen des Strings Messung möglichst durch nur eine einzelne Person Messung möglichst durch wenig qualifizierte Person Messung möglichst bei jeder Einstrahlung Messung im Dunkeln möglichst vermeiden Messung ohne Referenzsystem / Referenzmessung Messung möglichst schnell durchführbar Fehlerort möglichst genau lokalisiert Messequipment preiswert 4
Grundlagen: Modulstring / Zellstring / Solarzelle Modulstring Zellstring mit Bypass-Diode Solarzelle 5
Grundlagen: Kennlinie einer Solarzelle Umgeklappte und um I SC verschobene Diodenkennlinie Kennlinie setzt sich im 2. und 4. Quadranten fort Kennlinienverlauf und Sperrspannung von Zelltyp zu Zelltyp und von Zelle zu Zelle sehr unterschiedlich! 6
Idealer Betrieb ohne Abschattung /Unterbrechung Alle n Zellen haben gleichen Strom I Zelle Strangstrom entspricht Zellenstrom I Strang = I Zelle Gesamtspannung = n U Zelle Sperrspannung U Bypass = n U Zelle Sperrstrom I Bypass ~ 0 7
Betrieb mit Abschattung und intakter Bypass-Diode Eine von n Zellen sei total abgeschattet Kurzschlussstrom I sc = 0 Zellstrom I Zelle ~ 0 Strangstrom fließt über Bypass-Diode I Bypass = I Strang U Bypass ~ 0,5 V Sperrspannung über abgeschatteter Zelle: U Zelle = (n -1) U Zelle + U Bypass ~ n U OC_Zelle U Zelle ~ 10 15 V Zelle ist geschützt! 8
Betrieb mit Unterbrechung und intakter Bypass-Diode Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom I Zelle = 0 Strangstrom fließt über Bypass-Diode I Bypass = I Strang U Bypass ~ 0,5 V Sperrspannung über Bruchstelle: U Bruch = n U Zelle + U Bypass ~ (n + 1) U OC_Zelle U Bruch ~ 11 16 V Lichtbogen kaum möglich Bruzelnder Wackelkontakt gut möglich 9
Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen Zellstrom I Zelle = 0 Bypass-Diode sei unterbrochen (z. B. wegen dauernder thermischer Überlastung!) I Bypass = I strang = 0 Spannung über Bruchstelle (worst case): U Bruch = U OC_Strang!!!! Lichtbogen hoher Leistung im Modul oder über Bypass-Diode sehr wahrscheinlich!!!! 10
Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode Beispiel für offene Bypass-Dioden. Anschlussdose gehört nicht zu dem rechts gezeigten Modul! 11 Quellen: VGH
Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden Durchgangs-Messung der Bypass- Dioden in der Nacht problemlos Messung am Tage erfordert i. A. Schutzschaltung für Netzgerät Wenn I Netzgerät < I Zelle, dann: U SG = U Diode ~ 0.5 V Wenn I Netzgerät > I zelle, dann: U SG = - n U Bypass-Diode ~ - n 0.5 V Wenn wenigstens eine Bypass- Diode offen, dann: U SG >> - n U Bypass-Diode 12
Neue Messanordnung für offene Bypass-Dioden Anforderungen an Netzgerät: Strom- und Spannungsregelung I max = 2 I SC_STC ~16 A (Nicht unbedingt erforderlich! Achtung: Leitungen haben dann bis zu 2 I SC _STC ) U max = n U Bypass-Diode + 20 V ~ 50 V P max = 2 I SC_STC n U Bypass-Diode ~ 500 W 13
Neue Messanordnung für unterbrochene Zellen/Bändchen bei intakter Bypass-Diode 14
Neue Messanordnung für unterbrochene Zellen/Bändchen bei intakter Bypass-Diode Anforderungen an Netzgerät: Strom- und Spannungsregelung I max << 1 A U max = U OC + 20 V (bis 1000 V) P max = U max I max ~ 500 W 15
Weitere Verfahren unter ausschließlicher Nutzung der Generatorklemmen Fa. EmaZys ( http://www.emazys.com/fileadmin/emazys/press_emazys_english.pdf ) 16 Impedanzmessverfahren Dänisches Patent erteilt (DK 177 168 B1) Messsystem in Entwicklung Prototyp auf 27. EUPVSEC (2012) vorgestellt Schwer einschätzbar, ob Verfahren praxistauglich (Referenz erforderlich, teilweise auch Nachtmessungen) Schott / SMA: DE 10 2009 044 057 A1 (Impedanz) SMA: 10 2006 052 295 A1 (Impedanz) ISET Kassel: 10 2008 062 659 A1 (Impedanz) Einige Veröffentlichungen zu Time Domain Reflectometry (TDR) Nachteil: alle Verfahren benötigen eine Referenz (frühere Messung)!
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: IR Thermografie & Elektroluminiszenz EL Messung mit Infrarot-Kamera im laufenden Betrieb Zeigt prinzipiell kurzgeschlossene und leerlaufende Modulbereiche Messung nur bei gutem Wetter (Mittagszeit), braucht Erfahrung Evtl. Verbesserung: IR-Thermografie, Einspeisen eines Stromes zum Aufheizen der Module Wie oben, aber bei jedem Wetter oder auch Nachts möglich Ergebnisse evtl. sogar deutlicher (größere Leistung, größeres T)??? Unterbrechung des Betriebs und Einspeisung via Netzteil erforderlich! EL-Messung im Feld Aufwändig, nur Nachts möglich (Lock-in-Messungen auch am Tage?)??????? 17
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Staffelst. 1997) Gebrochene Alu-Bändchen bei AEG/DASA-Modulen (Serienfehler) Quellen: Fraunhofer ISE 18
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Staffelst. 1997) 19
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Staffelst. 1997) 20
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast (Staffelst. 1997) Erkennung von Unterbrechungen von Zelle oder Bändchen Erkennung von kurzgeschlossenen Bypass-Dioden 100 % Treffsicherheit! Ggf. auch Erkennung offener Bypass-Dioden (Spannungshub)???! Sehr schnell und sehr einfach nur wenige Sekunden pro Modul Solargenerator muss zugänglich sein Einstrahlung einigermaßen hoch (> 300 W/m²) Zweite Person zum Ablesen des Messgerätes sinnvoll 21
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Gezielte Teilabschattung und Grundlast, neue Ideen Gechopptes Licht ermöglicht kontinuierliche Anzeige Korrelationsempfang des gechoppten Signals möglich ( Lock-In -Prinzip) Pappe mechan. Chopper LC-Chopper LED-Flasher 22
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: gezieltes zusätzliches Bestrahlen von Modul-Substrings Gechopptes Licht Erzeugt kleines E Erzeugt kleine Änderung von Strom und Spannung Kann mit Korrelationsempfang detektiert werden???? 23
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (kapazitiv und induktiv, Staffelst. 1997) 24
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (indukt. Verfahren, KATO, IEA Task 13) 25
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (induktiv) 26
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (induktiv,) 27
Zusammenfassung und Ausblick Es besteht Bedarf an (einfachen) Messmethoden für Bypass-Dioden Messungen ausschließlich an den Anschlussklemmen ist vorteilhaft Globale Messungen an Anschlussklemmen sind sehr einfach möglich!!! Impedanz- und TDR-Messmethoden noch nicht praxisreif IR-Thermografie gutes Mittel, Kameras werden besser und preiswerter IR-Thermografie hat aber ihre Grenzen / Randbedingungen EL-Messung im Feld aufwändig (Nachts, Dauer,.), neue Verfahren? Messungen mit Manipulationen am SG (Teilabschattungen, Signalverfolgung etc.) sehr aufschlussreich, können ggf. verfeinert werden 28
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heribert Schmidt www.ise.fraunhofer.de heribert.schmidt@ise.fraunhofer.de 29