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dataTec News

Sonnenenergie auf dem Prüfstand

Fehler- und Qualitätsanalyse. Dieser Artikel zeigt, wie von Beginn an mit moderner Messtechnik schnell und einfach Fehler an einer PV-Anlage lokalisiert werden können.  Hervorgehoben werden dabei Normen, welche dem Elektroinstallateur zur Seite stehen und ihn von der Installation bis zur wiederkehrenden Prüfung begleiten.

Seit einigen Jahren ist ein Boom in der Photovoltaikbranche zu beobachten. Photovoltaik-(PV)-Anlagen gewinnen immer mehr an Bedeutung. Aber was passiert mit neu installierten PV-Anlagen? Oder mit PV-Anlagen, welche schon seit Jahren in Betrieb sind? Manchmal kommt es vor, dass PV-Anlagen von Anfang an nicht fehlerfrei arbeiten. Oder sie zeigen nach mehreren Jahren Betrieb erste Alterungsanzeichen. Aber nur eine einwandfrei funktionierende PV-Anlage arbeitet wirtschaftlich profitabel und sicher.

Der reibungslose Betrieb von Photovoltaik-(PV)-Anlagen ist nicht nur betriebswirtschaftlich von großem Interesse, sondern auch von sicherheitstechnischer Seite von großer Bedeutung. Brandschutz sowie die elektrische Betriebssicherheit sollten elementar wichtige Punkte für den Betreiber von Photovoltaik-(PV)-Anlagen sein. Für einen störungsfreien Betrieb zeigen Normen die Richtung auf. Die Messgeräte verschiedener Hersteller vom Fachhändler dataTec, dem Spezialisten für Mess- und Prüfgeräte aus Reutlingen, helfen dem Betreiber eine wirtschaftliche Photovoltaik-(PV)-Anlage zu führen, die Normen zu erfüllen und Ausfälle bzw. Schäden im Voraus zu erkennen.

Übersicht verschaffen und Auffälligkeiten erkennen

Ein z.B. nach DIN EN 62446 (VDE 0126-23) Anhang D zugelassenes Messgerät ist eine Infrarotkamera. Diese erkennt schnell, berührungslos und während des Betriebs der PV-Anlage Anomalien und Auffälligkeiten. Voraussetzungen für eine solche Messung sind eine hohe Detektorauflösung und eine hohe thermische Empfindlichkeit. Nur so lassen sich kleinste Temperaturunterschiede auf den PV-Modulen erkennen und somit Hot Spots (Bild 1) sowie Fehler deutlich lokalisieren. Die Infrarotkameras von Flir verfügen über eine Detektorauflösung von bis zu 640 x 480 Pixeln sowie über eine thermische Empfindlichkeit von bis zu < 30 mK; ideal für Messungen an einer PV-Anlage und deren Modulen.

Die Messung eines PV-Moduls sollte von der Modulvorderseite sowie, wenn möglich, auch von der Modulrückseite gemacht werden. Bei der Messung von der Vorderseite sollte der Schatten des Bedieners nicht auf die zu prüfende Fläche fallen. Auch reflektierte Wärmestrahlung kann Messfehler verursachen.

Das Infrarotbild macht nicht nur Fehler und Auffälligkeiten direkt auf den PV Modulen sichtbar. Auch thermische Anomalien und Fehler an den Anschlussleitungen und dem Wechselrichter lassen sich mühelos erkennen. Mit der Flir Meter-Link-Funktion (kabellose Datenübertragung) können Stromwerte, die ein spezielles Zangenmultimeter erfasst, direkt im Infrarotbild gespeichert werden. Über den Strom sowie die Temperatur lassen sich überlastete Leitungen lokalisieren (Bild 2).

 Durch Energieabgabe in Form von Wärme können auch Anomalien an den Sperrdioden, Anschlussdosen / -kästen sowie an den elektrischen Anschlüssen in Erscheinung treten. Absolutmesswerte sind nicht von großer Bedeutung, da die Temperatur von Tag zu Tag schwankt. Besser kann man Anomalien bzw. Fehler über die Temperaturdifferenz zwischen Normalbetrieb und der thermisch auffälligen Stelle erkennen.

Beim Lokalisieren von Auffälligkeiten hilft die Thermal-Fusion-Funktion der Flir T- und P-Serien. Mit ihr lässt sich ein Infrarotbild über das identische Digitalbild des PV-Moduls legen (Bild 3).

Nicht nur die DIN EN 62446 (VDE 0126-23) empfiehlt diese Art von Messungen an PV-Modulen, sondern auch die DIN EN 54191 (zerstörungsfreie Prüfung – thermografische Prüfung elektrischer Anlagen). Diese Norm gibt u.a. an, welche Geräteanforderung und Personenqualifikation ein Dienstleister, aber auch ein Anwender im eigenen Betrieb erfüllen sollte.

Weitere mögliche Fehlerursachen

Weitere Ursachen für Fehlfunktionen von PV-Anlagen können sein:

• Komplette Modulausfälle bzw. Teilmodulausfälle
• Kurzschlüsse in den Modulen
• Glasbruch und Risse in Modulen
• Eingedrungene Feuchtigkeit
• Delamination
• Defekte Bypassdioden
• Lose Kontaktstellen in Verteilerdosen und am Wechselrichter
• Übergangswiderstände in Verbindungssteckern

Die Standardtestbedingungen (STC, engl. Standard Test Conditions) sind weltweit genormte (nach DIN EN 60904) Testbedingungen, um die PV-Module und Zellen miteinander vergleichen zu können. Diese geben vor,

• welche Bestrahlungsstärke bei senkrechtem Lichteinfall vorhanden sein muss,
• wie hoch die Zellentemperatur sein muss,
• welchen Air-Mass-(AM)-Wert ein definiertes Lichtspektrum haben muss.

Da diese Bedingungen nicht exakt zu erfüllen sind, bleiben die Größen theoretisch. Um dennoch einen praxisorientierten Vergleich machen zu können, wurde die NOCT-Bedingung (Zellen-Nennbetriebstemperatur, engl. Normal Operating Cell Temperature) erstellt. Diese umfasst eine Strahlungsstärke von 800 W/m2, eine Umgebungstemperatur von 20 °C sowie eine Windgeschwindigkeit von 1 ms–¹. Nach der »DIN EN 62446 (VDE 0126- 23):2010-07 Anhang D« wird die Untersuchung an einer PV-Anlage mit einer vorserhandenen Bestrahlungsstärke von min. 400 W/m2, idealerweise mehr als 600 W/m2, vorgegeben, um zu gewährleisten, dass die PV-Anlage einen ausreichend hohen Strom liefert, der wiederum die Energie in Wärme umwandelt, die von der Infrarotkamera erkannt wird. Erst durch Energieabgabe (Wärme) können Anomalien an den Sperrdioden, Anschlussdosen / -kästen sowie an den elektrischen Anschlüssen erkannt werden. Absolutmesswerte sind nicht von großer Bedeutung, da die Temperatur von Tag zu Tag schwankt. Besser kann man Anomalien bzw. Fehler über die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Normalbetrieb und der thermisch auffälligen Stelle erkennen.

Fehler lokalisiert. Was dann?

Was tun wenn eine thermische Auffälligkeit auf dem Modul erkannt wurde? Um sicherzustellen, dass das PV-Modul effizient arbeitet und die volle Leistung bringt, ist ein Peakleistungs- und ein I- / U-Kennlinienanalysator von HT-Instruments und Gossen Metrawatt das richtige Messwerkzeug (Bild 4). Diese Geräte überwachen je nach Ausstattung alle wichtigen Messgrößen des PV-Moduls, unter anderem die Peakleistung (nach STC), die aktuelle Leistung, den Kurzschlussstrom (Isc) und die Leerlaufspannung (Uoc) sowie Impp und Umpp, d.h. maximaler Strom und maximale Spannung bei einer bestimmten Temperatur und Sonneneinstrahlung. Auch die Temperatur der Solarzelle und die aktuelle Einstrahlung in W/m2 werden erfasst. Diese Messgrößen lassen sich nicht nur von einem PV-Modul darstellen, sondern auch vom kompletten String.

Die I- / U-Kennlinienanalysatoren können die Messwerte anzeigen sowie auch die I- / U-Kennlinie darstellen. Die I- / U-Kennlinie stellt das Verhalten des PV-Moduls bei verschiedenen Belastungszuständen dar. Sie ist abhängig von der Bestrahlungsstärke und der Modultemperatur. Grafisch kann man auf einen Blick erkennen, ob das Modul einwandfrei arbeitet. Eine andere Darstellung der Kennlinie würde auf einen Defekt hindeuten, z.B. Teilabschattungen (Bild 5).

Was der Wirkungsgrad verrät

Bei jeder PV-Anlage sind die Module auf einen bestimmten Wirkungsgrad ausgelegt. Die Referenzwerte sind in den technischen Daten hinterlegt und dienen als Richtwert während der Messung. Stellt man eine Differenz zwischen Referenzwert und dem tatsächlichen Messwert fest, ist dies ein Anzeichen für einen Fehler am Modul, in der Installation oder am Wechselrichter. Der Wirkungsgrad kann z.B. mit dem FTV100 Greentest von Chauvin Arnoux und dem HT-I Solar 300N nicht nur vom PV-Modul (DC), sondern auch vom Wechselrichter (AC) ermittelt werden (Bild 6). Auch bei parallel geschalteten PV-Modulen können die Messungen durchgeführt werden.

Elektrische Sicherheit

Wie auch bei anderen elektrischen Anlagen sind für PV-Anlagen Erst- und Wiederholungsprüfungen nötig. Sie dienen der Überwachung und Dokumentation der oft jahrzehntelang betriebenen Installationen. Im Einzelnen sind vorgesehen:

Prüfung des Wechselstromkreises nach DIN VDE 0100-600

• Besichtigen des Wechselstromkreises
• Durchgängigkeitsprüfung
• Isolationswiderstandsprüfung
• Schutz durch automatische Abschaltung
• Funktionsprüfung (Not-Aus, Schutz und Sicherheitseinrichtungen, FI-Schutzschalter)

Prüfung des Gleichstromkreises nach DIN EN 62446 (VDE 0126-23)

• Besichtigen des Gleichstromkreises
• Schutzleiterprüfung
• Polaritätsprüfung
• Messung der Leerlaufspannung eines PV-Stranges
• Strommessung eines PV-Stranges
• Messung des Kurzschlussstroms eines PV-Stranges
• Funktionsprüfung
• Isolationswiderstandsprüfung eines PV-Moduls

Für die Prüfungen sind Geräte geeignet wie etwa das iT120B von Benning oder das Profitest M-Tech von Gossen Metrawatt (Bild 7).

Vor der Inbetriebnahme und bei Wiederholungsprüfungen muss eine Photovoltaikanlage gemäß VDE 0126-23 geprüft und dokumentiert werden. Ferner sind auch nach Reinigungs- und Wartungsarbeiten elektrische Messungen sinnvoll, um weiterhin eine optimale und möglichst verlustarme Funktion der Photovoltaikanlage zu garantieren.

Die Prüfung umfasst die Durchgängigkeitsprüfung der Schutz- und Potentialausgleichsleiter zwischen PV-Generator und Haupterdungsklemme, Messung der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstromes im PV-Strang sowie des Isolationswiderstandes zwischen den aktiven DCLeitern (+/-) des PV-Generators und Erde. Der Benning PV 1 verwendet berührungsgeschützte Messleitungen mit standardisierten Steckverbindern zum direkten Anschluss an PV-Module oder Stränge. Der automatische Prüfablauf warnt vor falscher DC-Polarität – was im Feldeinsatz nicht ausgeschlossen ist – und übernimmalle notwendigen Beschaltungen für die sichere Messung.

Diese Prüfungen können einfach und schnell sowie zuverlässig und sicher mit dem Photovoltaik-Installationstester Benning PV 1 (ein Handheld-Prüfgerät) durchgeführt werden. Dieses Gerät wird dem Solarteur, Photovoltaiksachverständigen sowie Service-, Reinigungs- und Wartungsteams empfohlen.

Blitzschutz an PV-Anlagen

Eine PV-Anlage erhöht nicht die Gefahr durch Blitzeinschlag. Dennoch ist es sinnvoll, das PV-System mit in das Erdungskonzept einzubinden, denn Blitzeinschläge können zu Störungen bis hin zum kompletten Ausfall des PV-Systems (besonders der Elektronik) führen. Die VDE 0185-305 (EN 62305-3) Blitzschutz behandelt den Schutz vor physikalischen Schäden und vor Verletzungen von Lebewesen durch Berührungs- und Schrittspannungen in unmittelbarer Nähe einer baulichen Anlage.

Um eine Blitzschutzanlage ordnungsgemäß überprüfen zu können, müssen Mess- und Prüfgeräte den Normen DIN EN 61557-4 und DIN EN 61557-5 entsprechen. Die wichtigste Anforderung an das Prüfgerät ist zur Messung des Erdungs-, Schutz- und Potentialausgleichs mit einem Mindestprüfstrom von 200 mA und einer Leerlaufspannung von 4 V bis 24 V. Zur Messung des Erdungswiderstandes muss das Prüfgerät den Prüfer über die zulässigen Grenzwerte informieren. Die anliegende Ausgangsspannung zwischen dem Anschluss »Erder« und dem Anschluss »Hilfserder« muss eine Wechselspannung sein. Diese Norm erfüllen z.B. der Geohm5 von Gossen Metrawatt und der CA6471 von Chauvin Arnoux (Bild 8). Mit ihnen lassen sich u.a. Erdungswiderstand, selektiver Erdungswiderstand, spezifischer Erdwiderstand und der Strom (TRMS) über Messzangen erfassen. Die Anschaltung bzw. der Einsatz dieses Messgeräts erfolgt nach dem Anschalteplan, wie aus Bild 9 ersichtlich ist.

Schlussbetrachtung

Ein Messgerät liefert nur Messwerte, daher sind spezielle Kenntnisse und das fachliche Wissen des Anwenders einer der wichtigsten Bestandteile, um eine Qualitäts- und Fehleranalyse an einer PV-Anlagedurchführen zu können. Die dataTec-Akademie unterstützt ihre Kunden mit entsprechenden
Messtechnik- und VDE-Seminaren und empfiehlt die Teilnahme an Fortbildungsmaßnahmen.

Autor

 

Martin Kulik, Technischer Außendienst NRW, ist bei dataTec der Experte für Prüftechnik VDE-Normen, Thermografie und die Energie- und Netzanalyse

 

Dieser Artikel erschien in der Photovoltaik-Praxis 02/2012.