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Zwei Jahre Erfahrung mit mobilem Photovoltaik-Testlabor

Von: Evelyn Bamberger und Christof Biba  (SPF News-Artikel vom 03.04.2018)

Mit dem mobilen Photovoltaik (PV)-Testlabor steht an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) eine in der Schweiz einzigartige Messeinrichtung für Photovoltaikmodule zur Verfügung. Seit zwei Jahren ist dieses jetzt im Einsatz, Zeit für einen ersten Erfahrungsbericht.

Abbildung 1: Das HSR PV-Testlabor im Einsatz beim Kunden, hier Anschluss eines zu vermessenden PV-Moduls

Kompakt und mobil mit Laborqualität

Das HSR PV-Testlabor kombiniert die Vorteile eines mobilen Einsatzes mit Laborqualität. Qualitativ hochwertige Messungen können damit Vorort auf der Baustelle, im Wareneingangslager oder an beliebigen anderen Orten durchgeführt werden. Der Messwagen bietet auf kleinem Raum eine breite Palette an Messverfahren. So können alle Messungen, die normalerweise stationär im Labor durchgeführt werden, ortsunabhängig werden – in Laborqualität.

Im Messwagen können die für Modulmessungen notwendigen Umgebungsbedingungen wie im Labor erzeugt werden, z.B. sorgt ein eingebautes Klimagerät für eine Temperatur von 25°C wie sie die Standard Test-Bedingungen vorsehen. Auch der eingesetzte LED-Flasher mit AAA-Zertifizierung steht üblichen Laborgeräten in nichts nach. Die sehr kompakte Bauweise mit einem ausgeklügelten System bietet einen weiteren Vorteil: Jedes Modul muss für alle Messungen nur einmal angeschlossen und in den Wagen geschoben werden. Sobald dies geschehen ist, laufen alle Messungen automatisiert nacheinander durch. Ein lästiger und zeitaufwändiger Transport der Module von einer Messstation zur nächsten und ein erneutes Anschliessen, wie es im Labor üblich ist, entfallen damit.

So werden sehr kurze Messzeiten pro Modul erreicht und es können bis zu 200 Module pro Tag vermessen werden. Auch wird automatisiert ein Prüfbericht je Modul erstellt, in dem alle Messergebnisse enthalten sind. Die Bewertung der Module wird dabei bereits vorbereitet, Kommentare und die endgültige Beurteilung des jeweiligen Moduls werden durch erfahrene Mitarbeiter des SPF Institut für Solartechnik der HSR ergänzt.

Vielfältige Einsatzbereiche

Dank der mobilen Einsatzmöglichkeiten bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit und breitem Leistungsumfang, bietet sich ein grosses Einsatzfeld für das PV-Testlabor. Eine typische Anwendung ist eine Wareneingangskontrolle für PV-Module. Der Installateur oder Grosshändler möchte überprüfen, ob die gelieferte Ware den Herstellerspezifikationen entspricht oder ob allenfalls Module beim Transport Schaden genommen haben.

Für die Kontrolle wird normalerweise eine Stichprobe genommen, gelegentlich wird aber auch die gesamte Lieferung geprüft. Die Prüfung findet typischerweise am Lager des Kunden statt, kann aber auch direkt auf der Baustelle durchgeführt werden. In diesem Fall werden die angelieferten Module zunächst geprüft und bei positivem Ergebnis in der Regel im Anschluss direkt aufs Dach gebracht und montiert.

Ein weiterer Anwendungsfall ist eine Unterstützung bei der Produktauswahl. Angenommen ein Grosshändler möchte ein neues Produkt in sein Programm aufnehmen. Aufgrund verschiedener Kriterien wie Preis und Garantiebedingungen hat er bereits eine Vorauswahl möglicher Hersteller getroffen und von jedem einige Module als Test eingekauft. Diese können im mobilen PV-Labor vermessen, bewertet und verglichen werden und so die Auswahl eines Produkts unterstützt werden.

Am häufigsten wurde das mobile PV-Testlabor bisher zur Fehlersuche bei Minderertrag oder sonstigen Auffälligkeiten am Modul eingesetzt. Zum Beispiel wird nach einigen Monaten bis einigen Jahren ein Minderertrag bei der PV-Anlage festgestellt. Dieser kann nicht über äussere Einflüsse wie Verschattung erklärt werden und der Grund kann auch nicht direkt an der Installation festgellt werden, der Wechselrichter scheidet beispielsweise als Ursache aus.

Zur Fehlersuche müssen einige Module demontiert werden. Die Vermessung kann direkt bei der PV-Anlage erfolgen und die Module in einem Arbeitsgang demontiert, vermessen und wieder montiert werden. Erstaunlich oft erfolgt die Messung aber auch stationär an der HSR. Bei einigen wenigen Modulen werden diese meist nach Rapperswil gebracht, die Messung direkt durchgeführt und die Module nach einer halben bis maximal einer Stunde wieder mitgenommen. Häufig dienen die Messergebnisse als Nachweis gegenüber dem Hersteller, um Garantieansprüche geltend machen zu können.

Selbstverständlich wird das PV-Testlabor auch in der Forschung und Lehre an der HSR eingesetzt, sowie für Studien- und Bachelorarbeiten. So konnten es Studenten bereits bei Projekten wie der Entwicklung eines solaren Luftschiffes, einer Veloladestation oder eines Solardachziegels verwenden. Daneben finden auch regelmässig Schulungen für Installateure, Händler, Gutachter etc. statt. So wird der nächste halbtägige Workshop zu Qualitätssicherung bei PV-Modulen am Nachmittag des 14. Juni 2018 an der HSR durchgeführt.

Abbildung 2: Vorführung des mobilen PV-Labors und Erklärung der Messverfahren bei einem Workshop zu Qualitätssicherung bei PV-Modulen an der HSR

Messverfahren

Die Module werden sehr umfassend unter Berücksichtigung aller wichtigen Messverfahren geprüft. Auf eine visuelle Inspektion und dem Anschluss des Moduls im Messwagen folgen zunächst elektrische Prüfungen. Als erstes werden ein allgemeiner Verbindungstest zur Sicherstellung korrekter elektrischer Verbindungen zum und im Modul und ein Test der Dioden, zur Erkennung von fehlenden oder nicht verbundenen Dioden, sowie Diodenkurzschlüssen, durchgeführt.

Darauf folgt eine Isolationsprüfung nach IEC 61730-2, bei der bis zu 6'000 V angelegt werden können und überprüft wird, ob eine ausreichende Isolierung zwischen den stromführenden und den äusseren Bereichen, wie dem Rahmen, besteht. Weiter wird eine Prüfung der Durchgängigkeit der Erdung nach IEC 61730-2 durchgeführt, das heisst eine Widerstandsmessung zwischen allen vier Rahmenteilen.

Danach wird mit Hilfe des AAA-Flashers die Strom-Spannungs (I/U)-Kennlinie bei Standard Test-Bedingungen aufgenommen und die maximale Leistung des Moduls (Peakleistung) mit einer Genauigkeit von +/- 3 % bestimmt. Je nach Wunsch können zur Bestimmung des Teillastverhaltens Kennlinie und Peakleistung auch bei anderen Einstrahlungsstärken von 200 – 1'200 W/m² ermittelt werden.

Als nächstes erfolgt eine Elektrolumineszenzaufnahme des Moduls, sie macht normalerweise unsichtbare, inaktive Bereiche und Mikrorisse auf den Zellen im Modul für das menschliche Auge sichtbar. Dafür sind zwei Kameras verbaut, die jeweils mehrere Bilder des Moduls machen, aus denen das Gesamtbild zusammengesetzt wird. Dadurch wird eine sehr hohe Auflösung von 300 µm pro Pixel erreicht.

Bei Bedarf kann ausserdem ein Wärmebild des Moduls aufgenommen werden, welches die Erkennung von Diodenfehlern und Hotspots ermöglicht. Optional wird auch die Prüfung des Isolationswiderstandes, unter Benässung nach IEC 61730-2, angeboten (Wet Leakage Current Test).

Alle Messungen werden in einem Prüfbericht je Modul zusammengefasst und das Modul aufgrund vordefinierter Kriterien in den einzelnen Bereichen und in der Gesamtheit bewertet.

Abbildung 3: I/U-Kennlinienmessung, Ausschnitte aus dem Prüfprotokoll

Messergebnisse und typische Fehler

Die mit Abstand am häufigsten vermessenen Module waren Standard PV-Module mit Zellen aus poly- oder monokristallinem Silizium mit Glasabdeckung. Daneben kommen aber auch immer wieder seltenere Module, wie photovoltaisch-thermische Module (PVT), flexible Module, Dünnschichtmodule oder sehr kleine Module wie Solardachziegel. Der Einsatzbereich der vermessenen Module reicht von ersten Samples mit nur wenigen Solarzellen, über PV-Anlagen auf Einfamilienhäusern, bis zu grossen Megawattanlagen.

Werden neue Module gemessen, z.B. bei einer Wareneingangskontrolle, sind die meisten Module völlig in Ordnung. Es kann aber auch vorkommen, dass bei einzelnen Modulen oder auch einer Modulserie, Leistungen unterhalb der im Datenblatt angegebenen Leistung gemessen werden und somit beim Hersteller reklamiert werden können. Aber auch andere Unregelmässigkeiten, wie Mikrorisse oder unsaubere Lötstellen, können, vor allem über die Elektrolumineszenzaufnahme, erkannt werden. Diese haben meist aktuell noch keine Auswirkung auf die Leistung, können aber potenziell in einigen Monaten oder Jahren zu Fehlern oder Mindererträgen führen.

Bei Messungen von Modulen, die bereits einige Zeit im Einsatz waren, ist der Hintergrund in der Regel, dass die PV-Anlage nicht den erwarteten Ertrag bringt oder der Ertrag über die Zeit deutlich abgenommen hat. Es ist also bereits relativ klar, dass ein Fehler vorliegt, dessen Ursache nun bestimmt oder die Minderleistung quantifiziert werden soll. Abgesehen von Modulen, die beispielsweise aufgrund einer unterbrochenen Verbindung gar keine Leistung mehr bringen, hält bisher den Negativrekord ein Modul mit gerade noch 22 W Leistung statt der ursprünglichen 200 W, also eine Minderleistung von 89 %.

Die Ursache war sogenannte potenzialinduzierte Degradation (PID). Diese kann entstehen, wenn mehrere Faktoren zusammen kommen. Neben dem Modulaufbau, ist eine Voraussetzung eine hohe Spannungsdifferenz zwischen Solarzellen und dem geerdeten Rahmen, die dazu führen kann, dass sich Elektronen aus der Solarzelle lösen und über Frontglas und Rahmen abfliessen. Beim häufigsten PID-Typ wandern in der Folge Natrium-Ionen (Na+) vom Glas in die Solarzelle und lösen einen Kurzschluss (Shunt) innerhalb der Solarzelle aus. Die Leistung des Moduls nimmt in der Folge immer weiter ab.

Ist der Effekt bereits sehr weit fortgeschritten, wie in unserem Beispielfall, ist die Detektion verhältnismässig einfach. Schwieriger ist es in einem frühen Stadium, wenn die Leistungsreduktion noch gering ist. Ein Beispiel für ein solches Modul zeigt Abbildung 4. Die maximale Leistung liegt 14 % unterhalb der vom Hersteller angegebenen Leistung. Erste Hinweise auf PID gibt die I/U-Kennlinie mit typischerweise reduziertem Füllfaktor, Leerlaufspannung und schlechterem Teillastverhalten. Die Elektrolumineszenzaufnahme ist ebenfalls noch nicht eindeutig. Deutlich zu erkennen dagegen ist eine Reihe schwarzer, das heisst nicht aktiver, Zellen in der Abbildung rechts. Diese wurde bei geringerem Strom aufgenommen, mit beispielsweise 10 % des Kurzschlussstroms.

Abbildung 4: Nachweis potenzialinduzierter Degradation: Erste Hinweise gibt die Kennlinienmessung (links, Leistung: -14 %, leicht reduzierter Füllfaktor, Leerlaufspannung und Teillastverhalten) und die Elektrolumineszenzaufnahme bei Kurzschlussstrom (Mitte), deutlicher zu sehen auf EL-Bild aufgenommen bei kleinerem Strom (rechts)

Zwei weitere typische Fehlerbilder, die auf Elektrolumineszenzaufnahmen zu erkennen sind, zeigt Abbildung 5. Links sind Mikrorisse zu sehen, welche nach ihrem Einfluss auf mögliche Minderleistung mit grün, gelb und rot bewertet werden, von grün unkritisch bis rot sehr kritisch. Zellrisse können bereits bei der Produktion entstehen, beim Transport und der Montage, aber auch durch Umwelteinflüsse wie Hagel oder Schneelasten.

Die Elektrolumineszenzaufnahme auf der rechten Seite zeigt einen Kreuzriss, verursacht durch einen Kratzer in der Folie auf der Modulrückseite (unten), wahrscheinlich durch unsachgemässe Handhabung während der Montage. Neben den Rissen in den Solarzellen, ist hierbei der Kratzer auf der Rückseitenfolie kritisch, der zu einer Reduktion der Isolationswerte führen kann, auch wenn diese zum Zeitpunkt der Messung noch in Ordnung waren.

Daneben wurden bereits eine Reihe weiterer Fehler festgestellt, wie nicht verbundene Zellverbinder, Delamination etc., die grundsätzlich in zwei Kategorien unterteilt werden können: Fehler mit Auswirkungen auf den Ertrag und Fehler mit Auswirkungen auf die Sicherheit, manche Fehler gehören auch zu beiden Kategorien. Die Fehler können bereits zum Zeitpunkt der Messung ertragsrelevante oder sicherheitsrelevante Auswirkungen haben oder potenziell zukünftig zu solchen führen.

Abbildung 5: Elektrolumineszenzaufnahmen, links: Modulausschnitt mit Mikrorissen, rote Umrandung: Sehr kritische Risse, potenzielle Zellabtrennungen > 20 %, gelbe Umrandung: Kritische Risse, potenzielle Zellabtrennungen < 20 %, grüne Umrandung: Unkritische Risse, die zu keiner Zellabtrennung führen; rechts: Modulausschnitt mit Kreuzriss, verursacht durch einen Kratzer auf der Rückseitenfolie, zu sehen im Bild unten

Fazit

Das mobile PV-Testlabor der HSR verbindet den mobilen Einsatz mit Laborqualität. Es bietet mit einer grossen Palette an Messverfahren mit sehr hohem Qualitätsstandard und gleichzeitig Mobilität, viele Einsatzmöglichkeiten. In den ersten zwei Jahren im Einsatz, wurden verschiedenste Modultypen für PV-Anlagen aller Grössen vermessen. Die Module werden anhand vordefinierter Qualitätskriterien bewertet und Fehlerursachen bestimmt. Dabei hat sich das PV-Labor vollumfänglich bewährt.

Messverfahren im mobilen PV-Testlabor der HSR

  1. Elektrische Tests zur Prüfung der Funktion und Sicherheit: Verbindungs- und Diodentest, Isolationsprüfung nach IEC 61730-2 (MST 16), Prüfung der Durchgängigkeit der Erdung nach IEC 61730-2 (MST 13)

  2. Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie und Bestimmung der maximalen Leistung unter Standard Test Bedingungen (1'000 W/m2 Einstrahlung, 25 °C Modultemperatur, AM 1.5)

  3. Elektrolumineszenz zur Visualisierung von Zelldefekten wie Mikrorisse und inaktive Bereiche

  4. Thermografie oder Wärmebildaufnahmen zur Erkennung von Diodenfehlern und Hotspots (optional)

  5. Prüfung des Isolationswiderstandes unter Benässung (Wet Leakage Current Test) nach IEC 61730-2 (MST 17, optional)

  6. Visuelle Inspektion der Module

Text: Evelyn Bamberger, Christof Biba, SPF Institut für Solartechnik

Weitere Informationen: www.spf.ch/PV-Lab oder Mail an evelyn.bambergernospam@nospam spf.ch

Informationen zum Workshop «Qualitätssicherung bei PV-Modulen»,
am 14.06.2018, 13-17 Uhr: www.spf.ch/2018-WS-PV-Labor

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