Hochschule München Masterstudiengang Systems Engineering Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Zusammenfassung der Masterarbeit Planning and Design of a Photovoltaic Certification Laboratory München, Januar 202 Autor: Paul Seybold Betreuer: (General Electric) Prof. Dr.-Ing. habil. Oliver Mayer MSE, Dipl.-Ing. (FH) Marcus Zettl Betreuer: (Hochschule München) Prof. Dr. Werner Kohl Starttermin: Abgabetermin: 0. 0. 200 20. 04. 20 In Kooperation mit: General Electric Global Research Center - Europe
Inhaltsverzeichnis Einleitung und Motivation......................... 2 Durchgeführte Studien........................... 2. Vorstudie.................................. 2.2 Hauptstudie................................. 3 2.3 Detailstudie................................. 4 2.4 Umsetzung.................................. 6 2.5 Ausblick................................... 6 Literatur...................................... 8
Einleitung und Motivation Photovoltaik (PV) ist eine der am weltweit stärksten wachsenden Technologien zur Energieerzeugung. Eine steigende Anzahl von Photovoltaik-Modulherstellern drängt auf den globalen Markt. Durch Produktzertifizierung wird sichergestellt, dass PV Module den internationalen Anforderungen an Sicherheit und Leistung genügen. General Electric Global Research, im folgendem GEGR-E genannt, hat sich entschieden, ein hauseigenes Zertifizierungslabor (CertLab) am Forschungszentrum in München aufzubauen. Das Ziel der Masterarbeit ist die Planung und der Aufbau eines Photovoltaik Zertifizierungslabors, nach den Grundsätzen des Systems Engineering. Ein Phasenmodel, bestehend aus vier Studien, wurde gewählt, um dem Projekt eine logische Struktur zu verleihen. 2 Durchgeführte Studien 2. Vorstudie Der Masterarbeit, welche im Oktober 200 begonnen wurde, gingen bereits erste Planungen für den Aufbau eines Zertifizierungslabors für PV Module voraus. In der Vorstudie werden deshalb durch eine Situationsanalyse die bereits bestehenden Ergebnisse diskutiert und für den weiteren Verlauf aufgearbeitet. So werden beispielsweise die möglichen Alternativen um eine Produktzertifizierung zu erhalten aufgezeigt und bewertet. Da GEGR-E eine Forschungseinrichtung ist, kristallisiert sich bei der Studie heraus, dass das so genannte Witness Testing, also das von einem akkreditierten Partner beaufsichtigte Testen von Produkten, den Anforderungen von GEGR-E am besten entspricht. In der Vorstudie kommen weitere Systems Engineering Methoden zum Einsatz. So wird das CertLab innerhalb des komplexen Systems General Electric / General Electric Global Research - Europe betrachtet und eine für diese Masterarbeit gültige Systemgrenze definiert. Um eine bessere Übersicht zu erhalten und um mögliche Interessenkonflikte aufzudecken, wird eine Stakeholder-Analyse durchgeführt. Das Prinzip der Variantenbildung kommt bei der Auswahl des passenden Zertifizierungspartners zur Anwendung.
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Die aufbereiteten Ergebnisse sind Grundlage für die Entwicklung eines Phasenmodels basierend auf dem Systems Engineering Vorgehensmodell von Haberfellner [Hab02]. Die resultierenden Phasen definieren den Aufbau der Masterarbeit. Die Hauptstudie evaluiert den passenden Zertifizierungspartner und identifiziert die Anforderungen an ein IEC -Zertifizierungslabor. Die Evaluierung des Witness Testing Programms von Intertek und der zuvor identifizierten Anforderungen an das Labor, sind Teil der Detailstudie. Die Realisierungsstudie diskutiert den Aufbau und Betrieb des Labors, einschließlich einer detaillierten Betrachtung des entwickelten Datenerfassungssystems. In Abbildung sind die vier Studien zu erkennen. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass sich die Masterarbeit innerhalb der Studien in zwei Hauptstränge aufteilt. Zum einen die Auswahl, Bewertung und Beschreibung des Zertifizierungspartners und zum anderen die Identifikation und Beschreibung der Anforderungen an das Testlabor. Letzteres ist Ergebnis einer Top-Down Analyse. 2.2 Hauptstudie Die Hauptstudie unterteilt sich in zwei Teile. Die Auswahl eines Zertifizierungspartners, sowie die Identifikation der Anforderungen für die PV Dünnschichtmodul- Zertifizierung. Für das so genannte Witness Testing ist ein akkreditierter externer Zertifizierungspartner zwingend notwendig. Um den Normanforderungen gerecht zu werden, nimmt der Zertifizierungspartner erheblichen Einfluss auf den Aufbau und insbesondere auf den Betrieb des Testlabors. Die sorgfältige Auswahl des Partners ist daher von entscheidender Bedeutung für den Erfolg des Projektes. Um eine nachvollziehbare und objektive Entscheidung zu treffen, wird der Systems Engineering Problemlösungszyklus angewendet. Dabei werden zuerst alle möglichen Zertifizierungspartner identifiziert. Danach werden die Ziele bzw. die Anforderungen an den Partner in Muss, respektive in Kann Anforderungen klassifiziert. In der anschließenden Analyse der möglichen Partner zeigt sich, dass nur UL und Intertek den gestellten Muss Kriterien entsprechen. Diese beiden möglichen Partner werden anschließend unter Zuhilfenahme einer Nutzwertanalyse evaluiert. Aus der Analyse geht hervor, dass Intertek den Anforderungen von GEGR-E am besten genügt. Das Ergebnis der Nutzwertanalyse ist in Tabelle ersichtlich. Die Anforderungen an PV Dünnschichtmodule, sowie insbesondere an das Testlabor an sich, werden vom ausgewählten Zertifizierungspartner vorgegeben. Dieser wiederum International Electrotechnical Commission 3
Alternative: UL Intertek Criteria Weight Pts Value-added Pts Value-added Reputation 30 9 270 7 20 Flexibility 30 4 20 8 240 Support 20 7 40 5 00 Accepting Other Testing Results 0 3 30 8 80 Costs 0 5 50 7 70 Total Weight 00 Total Value-add 60 700 Tab. : Value-Added Analysis ist gebunden an die entsprechenden international anerkannten Normen. Die Anforderungen an Testlabore sind in der ISO 7025[Lab] Norm klar definiert. Die Norm besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil der Norm beschreibt die Anforderungen an das Management des Labors, der zweite definiert die Anforderungen an die technische Ausstattung. Testlabore welche an einem Witness Testing Programm teilnehmen, müssen nur bestimmte Teile der Norm erfüllen. Der Zertifizierungspartner ist für die Einhaltung der restlichen Anforderungen verantwortlich, so dass die Kombination Testlabor und Zertifizierungspartner die komplette Norm erfüllen. Zum derzeitigen Stand sollen nur PV Dünnschichtmodule im Zertifizierungslabor von General Electric Global Research - Europe zertifiziert werden. Für diesen Typ von Modulen wurden drei Normen als anwendbar identifiziert: IEC 6646 Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic (PV) modules - Design Qualification and Type Approval [Int08b], UL 703 Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels [Und08] sowie die IEC 6730 Photovoltaic (PV) Module Safety Qualification [Int04]. 2.3 Detailstudie Die Detailstudie gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil wird das IEC CB- Scheme[Int08a] diskutiert. Dies ist ein weltweit anerkanntes System für die Zertifizierung von elektrotechnischen Produkten. Der große Vorteil liegt darin, dass Testergebnisse welche durch CB-Scheme konforme Tests erstellt wurden, international von vielen Zertifizierungsstellen akzeptiert werden. Dies ist oft zwingend erforderlich, da das Produkt anderenfalls nicht auf den jeweiligen Markt platziert werden darf. Das Verwenden des CB-Scheme ist für das Intertek Witness Testing Programm nicht vorgeschrieben. Wegen der zuvor genannten Vorteile hat sich GEGR-E jedoch dazu entschlossen, das CB-Scheme anzuwenden. 4
Der zweite Teil der Studie beschäftigt sich mit dem Intertek Witness Testing Programm, auch Satellite Program genannt. Wie im CB-Scheme gibt es vier Stufen, die sich jedoch im Umfang und Ausrichtung vom original CB-Scheme unterscheiden. Die Stufen reichen von Level, bei dem Intertek das komplette Testen im Testlabor von GEGR-E übernimmt, bis Level 4, bei dem GEGR-E eigenständig testet und nur noch die Ergebnisse zur Zertifizierung an Intertek weiterleiten würde. GEGR-E ist besonders an dem technischen Erkenntnisgewinn durch das Testen, sowie an einer beschleunigten Zertifizierung interessiert. Daher eignet sich Level 3 des Intertek Satellite Programmes für GEGR-E zur Zeit am besten, da dabei die Tests durch GEGR-E durchgeführt werden, der Großteil des bürokratischen Aufwandes jedoch von Intertek übernommen wird. Im letzten Teil der Studie werden die zugrundeliegenden Normen eingehend diskutiert. Die IS0 7025 wurde speziell für Test- und Kalibrierungslabore erstellt und wird weltweit von vielen Zertifizierungsstellen für Testlabore vorgeschrieben. Neben dem richtigen Aufbau eines Testlabors, beinhaltet diese Norm auch Methoden für einen kontinuierlichen Prozess der Qualitätsverbesserung. Die Norm ist von der ISO 900 Qualitätsnorm abgeleitet und daher auch mit dieser konform. Intertek nutzt diese Qualitätsnorm als Basis für die Zertifizierung als Level 3 Testlabor im Satellite Programm. Neben der ISO 7025 werden in diesem Teil der Studie die drei bereits genannten Normen, welche für die PV Dünnschichtmodul Zertifizierung auschlaggebend sind, behandelt. Die IEC 6730 beinhaltet dabei hauptsächlich Sicherheitsaspekte, während sich die IEC 6646 auch mit der Leistung der Module beschäftigt. Die UL 703 ist eine weitere Sicherheitsnorm, welche vorwiegend für den amerikanischen Markt von Interesse ist. Abbildung 2 zeigt die in der Detailstudie diskutierten Zusammenhänge. CertLab ist dabei der Projektname des neuen Testlabors von GEGR-E. +,('.(".I* J=C*!"#$%&%'(")** 5+6** 789:;* =C* +DE#&#* 5',#",#G* 3#'#"($* 4#,(%$#.* /#($%0(2'* 5<=* >78?9* 5<=* >7>@>* AB* 789?* =FB* <H*!!! "#$%&'(! Fig. 2: Übersicht Detailstudie 5
2.4 Umsetzung Die Realisierung von CertLab wird in der letzten Studie diskutiert. Sie setzt konkret die Ergebnisse der vorhergehenden Studien, sowie die Beiträge von anderen Projektteilnehmern um. Die Studie besteht aus zwei Teilen. Der Erste behandelt den Aufbau des Testlabors, die Erstellung eines Hallenplans, die Schaffung einer adäquaten IT- Infrastruktur sowie die Programmierung eines speziell auf die Bedürfnisse des CertLab zugeschnittenen, universal an allen Testplätzen nutzbaren Testprogrammes. Der Betrieb von CertLab ist Inhalt der zweiten Studie. Viele Tests bzw. Testsequenzen der drei relevanten Normen IEC 6646/6730 sowie UL 703 sind ähnlich oder sogar identisch. Daher wurde in dieser Studie ein kombinierter Testansatz entwickelt, welcher CertLab ermöglicht, schneller und effizienter zu testen. Abbildung 3 zeigt einen Ablaufplan dieses Ansatzes. Ausgangspunkt der Planung waren dabei die Langzeit- Klimakammertests Humidity freeze und Thermal Cycling 200. Durch geschickten Einsatz der Klimakammern wird dabei die Gesamttestzeit spürbar reduziert. Um diese Zeiteinsparung zu realisieren, sind insgesamt 8 Module für den kombinierten Testansatz notwendig. Der Testansatz muss dabei selbstverständlich noch allen Vorgaben der einzelnen Normen entsprechen und von Intertek auditiert werden. Letzter Teil der Studie ist die Erstellung eines Testplans, um einen Überblick über die benötigte Zeit für die Durchführung einer PV Dünnschichtmodul Zertifizierung zu geben. Des Weiteren wird dieser Testplan als Basis für eine zukünftige Ressourcenplanung dienen. Der Testplan wurde mit Microsoft Project 2007 erstellt und als Gantt-Chart visualisiert. Der komplette Zertifizierungsprozess dauert unter zu Hilfenahme des kombinierten Testansatzes etwas länger als zwei Monate. 2.5 Ausblick Die Inbetriebnahme von CertLab befindet sich in einem fortgeschrittenen Zustand, ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Um gültige Zertifizierungstests durchführen zu können, muss CertLab noch von Intertek auditiert werden, die entwickelte Testsoftware an bestimmte Testplätze angepasst, und die Testprozeduren einem Validierungsprozess unterzogen werden. Darüberhinaus werden die Testmethoden und Prozeduren einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess unterzogen, um jederzeit qualitativ hochwertige Ergebnisse liefern zu können. Nach dem erfolgreichen Betrieb als Intertek Satellite Level 3 Testlabor, sollte innerhalb von CertLab mittelfristig diskutiert werden, ob ein Satellite Level 4 Status angestrebt werden sollte. 6
Combined Test Approach IEC 6730 / 6646 & UL 703 8 Visual Inspection 0. / MST 0 Performance Test 0.2 Number of modules Average duration time (days) Test by Intertek Not required for current PrimeStar modules 4 Control Outdoor Exposure 0.8 0. 0.2 0.3 Module Breakage MST 32 Fire Test MST 23 Dielectric Withstand 0.3 / MST 6 Ground Continuity MST 3 Accessibility MST Wet Leakage Current 0.5 / MST 7 2 UV Precondition 3 Thermal Cycling 200 3 Thermal Cycling 200 2 Damp Heat 000h 0.0 / MST 54 0. / MST 5a 30 20 S35 0.3 / MST 53 3 42 0. 0.2 0.3 0. 0.2 0.3 0.3 0. 0.2 0.3 0.5 Bypass Diode Thermal MST 25 0. 0.3 0.5 Temperature Test MST 2 / S9 Reverse Current Overload MST 26 Measurement Temp. Coeff. 0.4 NOCT 0.5 Performance STC / NOCT 0.6 Perf. low Irradiance 0.7 Bypass Diode Thermal 0.8 0. 0.3 Hot-Spot Endurance 0.9 3 0.3 Humidity Freeze 0.2 / MST 52 / S36 Leakage Current S2 Wet Insulation Resistance S27 Wiring Compartment S42 0 Thermal Cycling 50 0. / MST 5b 0. 0.2 0.3 Humidity Freeze 0.2 / MST 52 0. 0.2 0.3 Robustness of Term. 0.4 / MST 42 0. 0.2 0.3 8 (laminate) Impulse Voltage MST 4 0. 0.3 Hot-Spot Test MST 22 0. 0.3 0.5 Leakage Current S2 Wet Insulation Resistance S27 Wiring Compartment S42 Wet Insulation Resistance S27 Mechanical Load 0.6 / MST 34 Hail Test 0.7 0. 0.2 0.3 0.5 0. 0.3 0. 0.3 Wet Leakage Current 0.5 Wet Insulation Resistance S27 2 2 2 No Sequence: 7 Light Soaking 0.9 0. 0.2 0.6 5 Water Spray S33 Push Test S23 Voltage & Current Meas. S20 Strain Relief S22 Bonding Path Resistance S25 Terminal Torque S29 3 Impact Test S30 Accelerated Aging S34 Corrosive Atmosphere S37 2 Metallic Coating Thickness S38 Arcing Test S40 3 (unconditioned) Leakage Current S2 Cut Susceptibility MST 2 0. 0.3 3 Wet Leakage Current 0.5 / MST 7 Accessibility Test MST Visual Inspection 0.2 / MST 52 0.3 Leakage Current S27 Leakage Current S2 Figure 5.9: Combined Test Approach! 65! Fig. 3: Kombinierter Testablauf 7
Literatur [Hab02] Haberfellner: Systems Engineering - Methodik und Praxis.. Zuerich: Verlag Industrielle Organisation, 2002 [Int04] International Electrotechnical Commission: IEC 6730, Photovolataic (PV) module safety qualification / International Electrotechnical Commission. 2004 (Edition ). Standard [Int08a] International Electrotechnical Commission: About the CB Scheme. PDF, Homepage, 09 2008 [Int08b] International Electrotechnical Commission: IEC 6646, Thin-film terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval / International Electrotechnical Commission. 2008. Standard [Lab] Labcompliance: ISO/IEC 7025 in Laboratories - Tutorial. 0320 [Und08] Underwriters Laboratories: UL 703, Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels / Underwriters Laboratories. 2008. Standard 8