Dunkelkennlinien von Photovoltaikanlagen messen

Im letzten Quartal haben wir damit begonnen an allen Photovoltaikanlagen, die wir im Rahmen unseres pvChecks überprüfen, immer auch die Dunkelkennlinien zu messen. Wir haben das getan, weil unser Servicenetzteil pvServe diese Möglichkeit inzwischen bietet und wir diese Option ab 2017 serienmäßig anbieten werden. Der pvServe wird dann in der Frontseite einen Slot aufweisen, der eine SD Karte aufnimmt. Auf dieser Karte lassen sich Skripte speichern, mit denen man zum Beispiel auch Dunkelkennlinien von ganzen Solarmodulsträngen messen kann. Wie das funktioniert und was man bei der Fehlersuche an Solarstromanlagen davon hat, ist Inhalt dieses Artikels.

Vorbetrachtung:
Es war mir zunächst selbst nicht klar, ob diese zusätzliche Messung einen Erkenntnisgewinn bringen würde, doch da die Möglichkeit vorhanden war, haben wir sie genutzt und die gemessenen Kennlinien mit den Elektrolumineszenzaufnahmen des jeweiligen Modulstranges verglichen, um herauszufinden ob sich etwa Fehler die im EL-Bild zu erkennen sind auch bereits auf der Dunkelkennlinie zeigen.
Doch bevor ich die ersten Ergebnisse weiter unten im Artikel zeige, möchte ich zunächst beschreiben wie die Sache funktioniert.

Durchführung der Messungen:
Wie oben bereits angedeutet lässt sich der pvServe automatisieren. Das bedeutet, dass man alle Aktionen die man über die Bedienelemente durchführen kann auch in Form eines Anweisungsskriptes automatisiert ablaufen lassen kann. Die Skripte kann man einfach selbst erstellen, in dem man die jeweiligen Befehle in eine einfache Textdatei (.txt) schreibt und diese dann auf die SD Karte kopiert, die schließlich in das Lesegerät am pvServe gesteckt wird. Über den Drehwahlknopf am Gerät lässt sich der pvServe in den Skriptmodus versetzen. In diesem Modus kann man dann eines der Skripte, die sich auf der SD Karte befinden, auswählen und ablaufen lassen. In einem von mir vorbereiteten Skript wird dabei der Spannungssollwert auf 800V bzw. 1000V (je nach Stranglänge) gesetzt. Der Stromsollwert steht zunächst auf  0A. Dann werden die Stromsollwerte langsam im 1s Rhythmus logarithmisch gesteigert, bis schließlich ein Rückstrom von 4A eingestellt ist. Dann schaltet das Gerät wieder in den Standby Modus. Wenn sich auf der Speicherkarte eine Datei mit dem Namen Lablog.txt befindet, während der gerade beschriebene Vorgang abläuft, so werden sämtliche Strom und Spannungswerte die der pvServe liefert im Sekundenrhythmus in dieser Datei abgelegt. Nach Abschluss der Messungen kann man den Inhalt dieser Textdatei dann mit Hilfe eines Excelmakros, das extra für diesen Zweck geschrieben wurde, in die entsprechenden Kennliniendiagramme verwandeln.

pvServe 1.1
Rückstromnetzteil pvServe 1.1 mit SD Kartenslot zur Skriptsteuerung.

Das Bild zeigt das Ergebnis einer solchen Kennlinienmessung an der PV-Anlage auf dem Dach über unserem Büro. Polt man nach erfolgter Messung um und vertauscht Plus und Minus, so kann man in einer zweiten Messung auch noch die Kennlinie der Bypassdioden messen. Diese wurde im Diagramm unten rot dargestellt.

Messergebnisse:

Dunkelkennlinie eines Solargenerators gemessen mit dem pvServe 1.1
Dunkelkennlinie eines Solargenerators gemessen mit dem pvServe 1.1

Wenn eine der Bypassdioden defekt ist sieht die Kennlinie wie unten gezeigt aus. Dann kann der Strom nur in Sperrichtung durch die Zellen fließen. Pro Zelle benötigt man dazu ca. 14-15V. In diesem Betriebszustand kann man allerdings die Solarzellen zerstören. Man sollte daher äußerst vorsichtig sein und wissen was man macht. Den Fehler offener Bypassdioden habe ich in diesem Artikel hier im Blog bereits ausführlich beschrieben.

Kennlinie eines Modulstranges mit offener Bypassdiode
Kennlinie eines Modulstranges mit offener Bypassdiode

Um das Messen von Dunkelkennlinien erfolgreich zur Fehlersuche an Solarstromanlagen einsetzen zu können, macht es aus meiner Sicht Sinn, immer die Kennlinien mehrerer Modulstränge miteinander zu vergleichen. Die Praxis der letzten Monate hat gezeigt, dass die Kennlinien bei intakten Modulen (und gleicher Stranglänge) im Diagramm sehr gut übereinander liegen. Da die Einstrahlung als Störquelle bei den nächtlichen Untersuchungen ausfällt und auch die Temperaturunterschiede der verschiedenen Modulstränge in der Nacht eher vernachlässigbar sind, misst man folglich auch Kennlinien, die keine Unterschiede zeigen. Liegt hingegen ein Fehler an einem der Modulstränge vor, so lässt sich dies bereits an der Kennlinie erkennen. Das gilt zumindest für die Fehler, die ich nachfolgend vorstellen möchte.
Das folgende Diagramm zeigt das Ergebnis einer Mess-Session, bei der eine Kennlinie deutlich abweicht.

Dunkdelkennlinienmessungen: In dem auffälligen Modulstrang fehlt ein Solarmodul.
Dunkelkennlinienmessungen: In dem auffälligen Modulstrang fehlt ein Solarmodul.

Das zugehörige Elektrolumineszenz Bild zeigt dann die Ursache für die Abweichung in den Kennlinien. Hier wurde bei der Installation der Anschluss eines Moduls vergessen.

Die Elektrolumineszenzaufnahme zeigt, dass ein Solarmodul im Strang fehlt.
Die Elektrolumineszenzaufnahme zeigt, dass ein Solarmodul im Strang fehlt.

Im nächsten Diagramm sieht man einen vergleichbaren Kennlinienverlauf in den Dunkelkennlinien, die Abweichung des auffälligen Modulstranges zu den intakten Strängen beträgt allerdings lediglich 13V. Folglich findet man hier auf dem EL-Bild kein vollständig ausgefallenes Modul, sondern lediglich eine defekte Bypassdiode.

Dunkelkennlinie eines Solarmodulstranges bei dem an einem Modul eine Bypassdiode defekt ist.
Dunkelkennlinie eines Solarmodulstranges bei dem an einem Modul eine Bypassdiode defekt ist.
Modulstrang mit defekter Bypassdiode.
Modulstrang mit defekter Bypassdiode.

Im nächsten Beispiel sieht man die beste und die auffälligste Kennlinie einer sehr gut performenden Anlage im Vergleich. Hier kann man noch nicht direkt von einem Fehler sprechen. Das regelmäßige Muster dunkler Zellen auf dem EL-Bild lässt jedoch den Schluss zu, dass der Modulhersteller hier offenbar ein Problem mit seiner Produktionsanlage hatte.

Dunkelkennlinien im Vergleich
Dunkelkennlinien im Vergleich
Module ohne größere Auffälligkeiten.
Module ohne größere Auffälligkeiten.
Module mit Auffälligkeiten.
Module mit Auffälligkeiten.

Die nächste Kennlinie zeigt eine besondere Auffälligkeit. Die Spannung steigt bei ansteigendem Strom zunächst an und fällt dann wieder ab.

Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem sich ein Lichtbogen zündet.
Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem sich ein Lichtbogen zündet.

Das Bild zeigt die Ursache des seltsamen Kennlinienverlaufes. An einem hochohmigen Zellverbinder eines Moduls hatte sich ein Lichtbogen gezündet.

Das Bild zeigt einen stehenden Lichtbogen an einem hochohmigen Zellverbinder.
Das Bild zeigt einen stehenden Lichtbogen an einem hochohmigen Zellverbinder.

Zum Schluss möchte ich noch ein interessantes Diagramm zeigen, bei dem die Kennlinien bei niedrigen Strömen sehr gut übereinander liegen und auch bei größeren Strömen um die 4A wieder deckungsgleich sind. Lediglich dazwischen gibt es einen Bereich in dem die auffällige Kennlinie (blau) bei gleichem Strom eine geringere Leistung aufnimmt. Die Kurvenform entspricht einem „schlechten“ Füllfaktor in der Hellkennlinie.

Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem der PID Effekt diagnostiziert werden konnte.
Dunkelkennlinie eines Modulstranges an dem der PID Effekt diagnostiziert werden konnte.

Wie man im Elektrolumineszenz-Bild deutlich sehen kann zeigt der auffällige Modulstrang den Effekt der Potential induzierten Degradation PID, den ich bereits mehrfach hier im Blog beschrieben habe.

Elektrolumineszenzaufnahmen beider Modulstränge im Vergleich.
Elektrolumineszenzaufnahmen beider Modulstränge im Vergleich.

Fazit:
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Messung von Dunkelkennlinien an Solargeneratoren sinnvoll erscheint, um bei der Untersuchung einer großen Anzahl an Modulsträngen eine Vorselektion zu betreiben, um auffällige Stränge zu identifizieren. Die Elektrolumineszenzuntersuchung kann dadurch auf die „auffälligen“ Modulstränge beschränkt werden. Dadurch lassen sich pro Nachtsession mehr Modulstränge untersuchen, ohne dass dadurch eine wesentliche Verschlechterung der Untersuchungsqualität zu erwarten ist.

Ausblick:
Wir werden in Zukunft versuchen eine Datenbank mit typischen Dunkelkennlinien Verläufen aufzubauen und in diesem Zuge jedem auffälligen Kennlinienverlauf typische Fehler zuordnen. Es ist auch denkbar bestimmte Kenngrößen, wie ein Dunkelserienwiderstand oder ein Dunkelfüllfaktor zu definieren. Diese Werte können dann bei jeder Messung ermittelt und miteinander verglichen werden. Es erscheint plausibel, dass mit dieser Methode Wiederholungsprüfungen unter exakt gleichen Rahmenbedingungen planbar (Einstrahlung = 0W/m²) möglich werden, mit denen sich schleichende Veränderungen an den Solargeneratoren erkennen lassen, noch bevor es zu gefährlichen Zuständen wie der Bildung von Lichtbögen kommen kann.

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2 thoughts on “Dunkelkennlinien von Photovoltaikanlagen messen

  1. Hallo Matthias,

    mal wieder ein interessanter und gut ausgearbeiteter Beitrag!

    Die oftmals als Nachteil empfundene Messung bei Nacht für EL-Aufnahmen wird hier gewissermaßen zum Vorteil: stabile Umgebungsbedingungen und kein Warten auf gutes Wetter…

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