Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)
Fehler in Photovoltaiksystemen sind nicht nur Probleme, die ihre Effizienz beeinträchtigen, sondern können auch Sicherheitsrisiken oder schwerwiegende Abweichungen verursachen, die Brandgefahr darstellen. Dieses Thema wird anhand des 650-seitigen Fachbuchs des Autors "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik" behandelt.
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 können. Einige Fehler können visuell erkannt werden, für die meisten ist jedoch die Anwendung geeigneter Messverfahren erforderlich. Dazu gehören die Aufzeichnung von U-I-Kennlinien, die Anwendung der Elektrolumineszenz und die Thermografie als Zustandsüberwachungstechnologien.
Fehler können wie folgt kategorisiert werden:
Vor allem elektrische Fehler und Rissfehler sind häufig auf unsachgemäßen Transport und noch mehr auf unsachgemäße Installation zurückzuführen. Das Problem der Verschattung ist typischerweise auf schlechte Installation, schlechte Standortplanung oder das Eindringen der Natur, übermäßiges Pflanzenwachstum oder Oberflächenverschmutzung zurückzuführen. Fehler, die ausschließlich auf Alterung zurückzuführen sind, sind selten.
Abbildung 1: Verschmutzung oder Oxidation in einer dünnen Zellschicht während der Produktion, meist ohne signifikanten Leistungsverlust. Abbildung 2: Unterschiedliche Zellfärbung in polykristallinen Modulen ohne Leistungseinbußen. Abbildung 3: Delamination in monokristallinen Modulen, entweder durch Überhitzung oder durch chemische Reaktion zwischen der Bindeschicht und dem beim Löten verwendeten Lötmittel, meist ohne signifikanten Leistungsverlust. Abbildung 4: Kaum sichtbare Spuren eines schweren Hagelschlags. Das tatsächliche Ausmaß des Schadens wird erst später deutlich, wenn Wasser beginnt, in die Zellschichten einzudringen, Oxidation verursacht und letztendlich zum vollständigen Ausfall der Zelle führt. Abbildung 5: Visuelle Schneckenpfade auf den Modulen, die auf Haarrisse hinweisen, bei denen Wasser in die Zellschichten eindringt, Oxidation verursacht und letztendlich zum vollständigen Ausfall der Zelle führt. Um Missverständnisse zu vermeiden, möchten wir hier nicht auf schwerwiegende Probleme hinweisen, sondern auf einige auffällige, aber unbedeutende visuelle Phänomene. Es gibt nämlich Fälle, bei denen das Erscheinungsbild auf den ersten Blick einen schwerwiegenden Fehler vermuten lässt, der jedoch tatsächlich keine Auswirkungen auf den Betrieb und die Leistung des Photovoltaiksystems hat. Dazu gehören beispielsweise Verschmutzung oder Oxidation in einer dünnen Zellschicht während der Produktion (Abbildung 1), unterschiedliche Zellfärbung in polykristallinen Modulen (Abbildung 2), Delamination in monokristallinen Modulen, entweder durch Überhitzung oder durch chemische Reaktion zwischen der Bindeschicht und dem beim Löten verwendeten Lötmittel (Abbildung 3). Die Anzeichen für die schwerwiegendsten Probleme des Solarsystems sind für das bloße Auge viel weniger offensichtlich. Dazu gehört eine kaum sichtbare Spur eines schweren Hagelschlags (Abbildung 4), bei dem das tatsächliche Ausmaß des Schadens erst später deutlich wird, wenn Wasser beginnt, in die Zellschichten einzudringen, Oxidation verursacht und letztendlich zum vollständigen Ausfall der Zelle führt. Das Phänomen geht in der Regel mit signifikanten Leistungsverlusten einher, bis hin zum vollständigen Ausfall der betroffenen Zelle oder des Moduls. Ein weiteres Anzeichen für schwerwiegende Probleme sind die "visuellen Schneckenpfade" auf den Modulen (Abbildung 5), die auf Haarrisse hinweisen. Dabei dringt Wasser in die Zellschichten ein, verursacht Oxidation und führt letztendlich zum vollständigen Ausfall der Zelle. Dies geht in der Regel mit signifikanten Leistungsverlusten einher, bis hin zum vollständigen Ausfall der betroffenen Zelle oder des Moduls. Häufig sind die durch einen heftigen Hagelschlag oder Steinschlag verursachten Brüche auch visuell gut erkennbar. Es ist jedoch nicht sicher, dass die vermeintlich unbeschädigten anderen Module den Sturm tatsächlich unbeschadet überstanden haben. Eventuelle, mit bloßem Auge nicht sichtbare weitere Haarrisse können nur durch die Anwendung eines speziellen Prüfverfahrens aufgedeckt werden. Leider werden in vielen Fällen erst nach dem Auftreten mechanischer Schäden, wenn eindringende Feuchtigkeit oder das Ausbreiten von Rissen dazu führen, dass der Kristall selbst reißt und Kurzschlüsse sowie das Ablösen von Zellflächen verursacht werden.
Zur Erkennung von Fehlern und zur Bewertung ihrer Schwere ist die Aufzeichnung des U-I-Kennlinienverlaufs weitaus genauer und effizienter als die visuelle Inspektion, sowie die Untersuchung basierend auf Elektrolumineszenz und Thermografie. Während die Auswertung des U-I-Kennlinienverlaufs nur abschnittsweise erfolgen kann, also Informationen über den Zustand des Systems und seine aktuelle Leistungsfähigkeit nur für mehrere Module gleichzeitig liefern kann, sind die anderen beiden Verfahren in der Lage, Fehler pro Modul oder Zelle zu lokalisieren und Art sowie Schweregrad des Fehlers zu bestimmen.
Das Grundkonzept der Elektrolumineszenzprüfung besteht darin, dass aus elektronischer Sicht die Solarzellen eine großflächige lichtempfindliche Diode darstellen. Wenn sie bei Lichteinwirkung Strom erzeugen können, sollten sie bei umgekehrtem Betrieb, durch Anlegen von Strom, Licht abgeben können. Zellen, die auf diese Weise Licht über ihre gesamte Oberfläche abgeben, müssen auch in ihrem Energieerzeugungszustand gut funktionieren. Auf dieser Grundlage wird bei vielen Herstellern auch eine Produktionsüberwachung durchgeführt.
Das von den Solarzellen abgestrahlte Lichtspektrum liegt hauptsächlich im kurzwelligen Infrarotbereich. Daher ist die Beobachtung mit kurzwelligen Thermografiesystemen möglich, die jedoch in der Praxis hauptsächlich für die schnelle Bewertung von Zellen während der Produktion in die Fertigungslinie integriert werden, nicht für den Einsatz vor Ort in mobilen Anwendungen. Hierbei spielen neben dem Gewicht und der Größe der fotondetektorbasierten Systeme auch ihre hohen Kosten eine Rolle. Bei Vor-Ort-Elektrolumineszenzprüfungen werden häufig umgebaute Kameras, meist Spiegelreflexkameras, eingesetzt. Diese sind mit einem CMOS-Detektor ausgestattet, der über ein breites spektrales Band verfügt, sodass mit einem eingebauten Infrarotfilter und einem hochenergetischen Objektiv, das kurzwellige Strahlung durchlässt, die Strahlungsemission der Solarzellen sichtbar wird. Die Messung erfordert eine lange Belichtungszeit, möglicherweise mehrere Minuten, und das Ergebnis ist nicht kalibrierbar.
Da die Sonneneinstrahlung tagsüber um Größenordnungen höher ist als die von den Solarzellen emittierte Strahlung im umgekehrten Betriebsmodus, werden vor-Ort-Elektrolumineszenzaufnahmen eher nachts oder tagsüber mit Abdeckzelten durchgeführt. Dabei müssen die Module oder Stränge elektrisch vom System getrennt und mit der erforderlichen Rückführung für die Prüfung versorgt werden. Wenn weder die nächtliche Prüfung noch die Zeltlösung umsetzbar sind, ist letztendlich der Einsatz einer echten Wärmebildkamera erforderlich. Die neuesten CMOS-basierten kurzwelligen Wärmebildkameras ermöglichen mit geeigneten Filtern die Aufnahme von Elektrolumineszenzaufnahmen auch tagsüber.
Mit der Elektrolumineszenzprüfung können folgende Fehler erkannt werden:
Aufgrund der Anschaffungskosten der benötigten Wärmebildkamera, der Anforderungen an die minimale erforderliche Bestrahlung und der sonstigen Messschwierigkeiten scheint die thermografische Prüfung im Vergleich zur zuvor vorgestellten Elektrolumineszenzprüfung nicht wettbewerbsfähig zu sein. Dennoch hat die Thermografie ihre Berechtigung, teilweise darauf zurückzuführen, dass keine Umleitungen und keine externe Einspeisung erforderlich sind. Dies ermöglicht das Weglassen des Tragens eines 18-30 kg schweren Gleichstromnetzteils und die Realisierung der Energieversorgung. Darüber hinaus bietet die Thermografie die Möglichkeit, zeitlich effizient große Flächen zu inspizieren, was insbesondere bei großen Systemen eine unverzichtbare Technologie ist. Fortsetzung folgt. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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