Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)
Unsere Artikelserie über Thermografie soll einen Einblick in die erstaunliche Vielseitigkeit und die theoretischen sowie praktischen Grenzen der Thermografie geben, basierend auf dem 650 Seiten umfassenden Fachbuch "THERMOGRAFIE - Theorie und praktische Messtechnik" von Rahne Eric. Das aktuelle Thema ist die luftgestützte Thermografie von Energieanlagen.
Es versteht sich von selbst, warum die Thermografie eine unverzichtbare Stärke darstellt. Mit ihrer Anwendung können sogar Solaranlagen mit einer Leistung von mehreren MW in relativ kurzer Zeit bewertet werden. Während beispielsweise Überprüfungen der I-U-Kennlinie gut zeigen, dass etwas nicht stimmt und die Effizienz abnimmt, können Fehlerstellen und Fehlerarten meistens auf diesem Weg, auch durch Zerlegung in Module, nicht identifiziert werden. Die Thermografie hingegen kann bei ordnungsgemäßer Ausführung Fehlerstellen lokalisieren und verschiedene, voneinander abweichende Fehlerphänomene unterscheiden. Insbesondere bei großen Solarparks ermöglicht dies einen effizienten Betrieb und eine wirtschaftliche Wartung.
Die Überprüfung von Solaranlagen ähnelt dem thermografischen Zustandsbewertung von elektrischen Anlagen. Der Kernpunkt ist, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen aufgrund ihres erhöhten Übergangswiderstands sowie in den meisten Fällen elektrisch defekte Geräte über die zulässige (oder übliche) Temperatur hinaus erwärmt werden. Die für die Bewertung von elektrischen Anlagen verwendeten Bewertungsvorlagen und Grenzwerte für Anschlüsse, Verkabelungen, Verteiler/Sammler, Regler und Konverter sind auch hier gültig. Diese können jedoch nicht auf Solarzellen und Module angewendet werden. In diesem Kapitel befassen wir uns daher speziell mit der theoretischen Grundlage und den praktischen Kenntnissen, die für Solarzellen erforderlich sind.
Der größte Unterschied zu den bisher vorgestellten thermografischen Anwendungen besteht darin, dass intensive Sonneneinstrahlung für die Durchführung von Außenmessungen erforderlich ist. Dies steht im völligen Gegensatz zu dem, was bei fast allen anderen thermografischen Anwendungen betont wird, nämlich dass Thermografie-Messungen bei Sonnenschein und insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung vermieden werden sollten. Dies geschieht aufgrund der Reflexion der Sonnenstrahlen und der Erwärmung des Objekts. Bei der Untersuchung von Solaranlagen ist jedoch gerade die Sonneneinstrahlung erforderlich, damit die Temperaturunterschiede, die durch Fehler verursacht werden, sichtbar werden. Die Wahrnehmung dieser wird durch die Spiegelung der Sonnenstrahlen an der Glasoberfläche erschwert, was nur durch sorgfältig gewählte Beobachtungswinkel ausgeglichen werden kann.
Übliche Anwendungsbedingungen, Messbedingungen
auf der Ebene elektrischer Systemelemente:
auf der Ebene von Solarzellen und Modulen:
Bevor wir uns mit den mittels Thermografie durchführbaren Messungen, Untersuchungen und der Bewertung der Ergebnisse im Zusammenhang mit Solarzellen befassen, lassen Sie uns einige relevante Informationen zu Solarzellen und Solaranlagen betrachten, die signifikante Ursachen für Fehler und die damit verbundenen Wärmeeffekte darstellen.
Funktionsweise von Solarzellen
Sonnenzellen nutzen den inneren photoelektrischen Effekt aus. Die derzeit führenden Zelltypen basieren auf Silizium (Si), dessen zur Lichtseite gerichtete Schicht mit Phosphor (P)-Atomen verunreinigt wird, um eine n-Schicht zu bilden, während die "hintere" Schicht mit Bor (B)-Atomen verunreinigt wird, um eine p-Schicht zu bilden. Durch das elektrische Feld an der pn-Grenzschicht werden die Elektron-Loch-Paare, die durch eintreffende Photonen erzeugt werden, beschleunigt und die Elektronen in Richtung der negativen Polung der Zelle, die bereits Elektronenüberschuss aufweist, bewegt. Gleichzeitig verursachen die Löcher einen Elektronenmangel in der p-Schicht. Durch die Verbindung der beiden Schichten mit einem elektrischen Verbraucher kehren die Elektronen in die p-Schicht zurück, wo die Rekombination der Loch-Elektron-Paare stattfindet (Abbildung 1).
Typische Konstruktion von Solarzellenmodulen
Solarzellen sind aufgrund der Größe der ursprünglich für die Elektronikherstellung hergestellten Siliziumscheiben (Wafer) in der Regel 6 x 6" (156 x 156 mm) groß. Die Spannung, die mit einer Zelle erzeugt werden kann, beträgt ungefähr 0,5 V Gleichstrom. Da dies aufgrund des Spannungsabfalls in den Leitungen für die Energieerzeugung nicht ausreichen würde, werden in einem sogenannten Solarpanel oder Modul 60 Zellen in Reihe geschaltet. Dadurch steht bereits eine Gleichspannung von etwa 30 V zur Verfügung, wenn diese zusammengestellt werden. Der Strom von polykristallinen Solarzellenmodulen erreicht bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 etwa 8 A.
Für eine effizientere Energieübertragung ist eine Spannung erforderlich, die größer als 30 V ist. Daher werden in Solarfeldern bis zu 24 Module in Reihe geschaltet. Die Spannung einer solchen Modulreihe oder eines Strangs beträgt bereits 720 V Gleichstrom. Dies bedeutet jedoch gleichzeitig die Reihenschaltung von 1440 Solarzellen, was bedeutet, dass eine beschädigte, nicht funktionierende Zelle die Leistung aller Zellen der gesamten Modulreihe beeinträchtigen wird. Denn die defekte Zelle fungiert als Widerstand anstelle eines Stromerzeugers und wird somit zu einem Verbraucher.
Um dieses Problem zu mildern, wird in jedem Modul ein sogenannter interner Strang, ein sogenannter Substring, eingerichtet, der individuell mit Umgehungs- oder Bypass-Dioden parallel geschaltet ist. Wenn also eine Zelle in einem internen Strang ausfällt, beeinträchtigt dieser Strang aufgrund der Diode nicht den Stromfluss in den anderen Strängen des Moduls, sondern fällt lediglich als Energieerzeuger aus. Dies ist immer noch nicht ideal, da 20 Zellen aufgrund einer defekten Zelle ausfallen, aber immer noch besser als die Begrenzung von 1440 Zellen.
Wenn aufgrund eines Stromkreisunterbrechung oder Verschattung ein interner Strang ausfällt, tritt die Umgehungsdiode des betroffenen Strangs gemäß Abbildung 2 in Kraft. Die Ausgangsspannung des Moduls fällt auf ein Drittel der Nennspannung des gesamten Moduls zurück und verringert sich weiter um 0,3 ... 0,9 V durch den Spannungsabfall der Diode. Ein nominell 30 V Gleichstrom ausgebendes Modul kann in einem solchen Fall also nur noch eine Spannung von 19,1 ... 19,7 V Gleichstrom liefern. Dies ist zwar ein Verlust, aber immer noch besser, als wenn das gesamte Modul ausfällt.
Fehler in Solaranlagen können nicht nur in Form von Effizienzproblemen auftreten, sondern auch Sicherheitsrisiken oder schwerwiegende Störungen verursachen, die sogar Brandgefahr darstellen können. Die Fehler können auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden, die von der Herstellung über den Transport und die Installation bis hin zu schlechter Betriebsführung oder meteorologischen Einflüssen reichen. In der nächsten Folge dieser Artikelreihe wird über diese und die Untersuchungsmethoden von Fehlern gesprochen.
Rahne Eric (PIM Kft.)
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