Von Lichtbögen und Brandursachen an Photovoltaikanlagen

Ein Fehlerbild das uns in der letzten Zeit öfter begegnet ist, sind offene Zellverbinder an einzelnen Solarmodulen in einem Modulstrang. Ich hatte dieses Thema zwar schon einmal in dem Artikel zu den Ursachen von verminderter Leerlaufspannung an Solargeneratoren beschrieben, habe mich jetzt aber dazu entschlossen das Thema nochmal ausführlich zu behandeln, weil das frühzeitige Erkennen dieser Fehler besonders wichtig ist. Die Überschrift deutet bereits darauf hin, warum das so ist. Der Artikel richtet sich eher an die technisch versierten Leser und dürfte für Technikmuffel eher schwere Kost darstellen.

Hin und wieder kommt es vor, dass die Reihenschaltung der einzelnen Zellen in einem Solarmodul an einer oder mehreren Stellen unterbrochen wird. Dies kann an verschiedenen Stellen passieren. Beobachtet haben wir es schon in der Modulanschlussdose, wenn z.B. an einer Federklemme die Kontakte korrodiert waren.

offene Verbindung in der Modulanschlussdose
offene Verbindung in der Modulanschlussdose

 

zu spät entdeckter hochohmiger Kontakt an einer Modulanschlussdose
zu spät entdeckter hochohmiger Kontakt an einer Modulanschlussdose

Das ist noch der am einfachsten zu behebende Fall, da die Kontaktstelle in aller Regel wieder inkraft gesetzt werden kann, wenn der Fehler rechtzeitig entdeckt wird. Schlechter ist es schon, wenn der Fehler im Laminat auftritt und die Unterbrechung dadurch nicht mehr zugänglich ist.

Diese Unterbrechungen, die entweder zwischen zwei Zellen oder an den oberen Querverbindungen auftreten können sind leider nicht mehr mit einem vertretbaren Aufwand reparabel und führen in aller Regel nach Entdeckung zum Austausch der betroffenen Module. Wenn – wie im unten gezeigten Fall – bereits die Modulglasscheiben geborsten sind, muss das Modul ohnehin ausgetauscht werden.


Hier im Blog geht es ja meist um die effiziente Fehlersuche an Solarstromanlagen, daher möchte ich nachfolgend beschreiben, wie der Fehler sich bei den verschiedenen Untersuchungsmethoden zeigt. Vorangestellt werden sollte vielleicht noch, dass der Fehler trotz der Unterbrechung nicht zu einem Ausfall des Modulstranges führt. Da jeder Substring in einem Modul, der in aller Regel aus 20 bis 24 Solarzellen besteht, immer durch eine Bypassdiode überbrückt wird, führt ein offener Verbinder dazu, dass an der Unterbrechung die Leerlaufspannung aller Zellen im Substring abfällt (+ca. 0,5V). Dadurch bekommt die Bypassdiode eine positive Spannung und wird leitend. Der Strang arbeitet weiter mit einer verminderten Leerlaufspannung. Dies ist auch zugleich die erste und einfachste Möglichkeit solche Fehler zu lokalisieren. Man misst die Leerlaufspannung der einzelnen Stränge immer gegen einen Referenzstrang und achtet (gleiche Stranglänge vorausgesetzt)  auf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Strängen. Liegt die Spannungsdifferenz im Bereich von 11-13V muss der Strang genauer untersucht werden. Diese Spannungsdifferenzen kann man übrigens mit einem guten Monitoring Portal bereits entdecken ohne die Anlage aufsuchen zu müssen.

Am Monitoringportal kann man oft Spannungsdifferenzen zwischen zwei gleich langen Modulsträngen bereits gut erkennen.
Am Monitoringportal kann man oft Spannungsdifferenzen zwischen zwei gleich langen Modulsträngen bereits gut erkennen.

Wenn man dann Vorort in der Anlage ist kann man den Fehler am einfachsten durch eine Thermographieuntersuchung lokalisieren. Das setzt natürlich eine gute Einstrahlung von mindestens 600W/m² voraus. Hier kommt nun die berühmte Frage aus meinem Fehlersuche Seminar zum Einsatz: „Wann hat ein Solarmodul die höchste Temperatur, im Leerlauf, im MPP (Maximum Power Point) oder im Kurzschluss ?“
Die Antwort lautet: Im Leerlauf. Man kann sich dies einfach mit dem Energieerhaltungssatz erklären. Wird das Modul mit einer bestimmten Leistung bestrahlt, so erwärmt es sich so lange, bis die abgestrahlte Energie genau der aufgenommenen Energie entspricht. Das Modul ist dann im thermischen Gleichgewicht und verändert seine Temperatur nicht mehr. Wenn nun ein Teil der eingestrahlten Energie gewandelt und in Form von Strom vom Modul wegtransportiert wird, so stellt sich ebenfalls ein Gleichgewicht ein, aber bei einer niedrigeren Temperatur. Dies lässt sich dadurch erklären, dass nun ja ein Teil der Energie zum Wechselrichter gelangt und nicht mehr zur Erwärmung des Moduls beitragen kann. Fällt nun, wie im hier beschriebenen Fehlerfall ein Drittel (die meisten Module haben 3 Substrings die mit einer Bypassdiode überbrückt werden) eines Moduls aus, so wird dieses Drittel sich gleichmäßig etwas stärker erwärmen als die anderen Teile des Modul, die im MPP laufen. Der Temperaturunterschied liegt erfahrungsgemäß bei 2-3 Kelvin. Da die Bypassdiode in diesen Fällen dauerhaft leitend ist, erkennt man außerdem eine etwas stärker erwärmte Modulanschlussdose. An der Gleichmäßigkeit der Temperatur des betroffenen Substrings kann man übrigens auch erkennen, dass es sich nicht um eine kurzgeschlossene Bypassdiode handelt. Im Fall der kurzgeschlossenen Bypassdiode würde man das typische Schachbrettmuster mit ungleich erwärmten Zellen beobachten können.

Modul mit offenem Verbinder. Ein Drittel des Moduls ist deutlich wärmer.
Modul mit offenem Verbinder. Ein Drittel des Moduls ist deutlich wärmer.

 

offener Verbinder in der Modulanschlussdose führt zum Teilausfall eines Drittelmoduls
offener Verbinder in der Modulanschlussdose führt zum Teilausfall eines Drittelmoduls

Damit wäre im Wesentlichen beschrieben, wie der Fehler schnell und zuverlässig entdeckt und dann lokalisiert werden kann. Interessant ist bei diesem Bild allerdings nicht nur das Endstadium, wenn die Verbindung also bereits komplett offen ist, sondern auch die Entstehung des Fehlerbildes und hier kommt es nun zu dem Bezug zur Überschrift. Um es vorweg zu nehmen: Der Artikel soll keine Panik vor brennenden Solarmodulen auslösen. Er soll lediglich dafür sensibilisieren, dass so etwas passieren kann und dass man eine Photovoltaikanlage – so wie man es auch mit einer Gasheizung machen würde – einer regelmäßigen Wartung unterziehen sollte. Hat man ein vernünftiges Monitoring und weiß der Servicetechniker worauf es ankommt, sind die Fehler auch frühzeitig zu erkennen.
Doch nun zur Entstehung der offenen Verbinder. Im Idealfall löst sich der Kontakt schnell und vollständig, so dass einfach die Leerlaufspannung aller Zellen im Substring an dem offenen Kontakt abfällt. Dann passiert nichts weiter und der Strom fließt einfach über die Bypassdiode und die Spannung des Modulstranges ist um ein Drittel der Leerlaufspannung gemindert. Dieser Fall kommt vor und ist völlig ungefährlich. Leider gibt es aber auch Fälle, bei denen sich der Kontakt nur bei hohen Temperaturen löst, wenn sich die Einbettungsfolie tagsüber ausdehnt. Bei niedrigeren Temperaturen zieht sich die Einbettungsfolie zusammen und drückt dann den Kontakt wieder notdürftig zusammen. An diesen Stellen entstehen dann sogenannte Hotspots, da der Widerstand der Verbindung deutlich größer ist als bei einer intakten Verbindung. Das Auffinden solcher Fehler ist natürlich doppelt schwer, da der Fehler (zuwenig Leerlaufspannung) manchmal auftritt und manchmal nicht. Wir hatten schon Fälle, wo man die Module nachts problemlos rückwärts bestromen konnte und wo sich die Verbindung tagsüber, bei höheren Temperaturen wieder gelöst hat. Dann war keine Rückbestromung mehr möglich. Besonders kritisch wird die Situation, wenn sich an den offenen Kontakten ein winziger Spalt bildet, der bei anliegender Spannung dann zu einem Lichtbogen führt.

abgetrennte Zellverbinder mit leichten Schmorspuren auf der Modulvorderseite
abgetrennte Zellverbinder mit leichten Schmorspuren auf der Modulvorderseite

 

Modulrückseite mit Brandspuren
Modulrückseite des gleichen Moduls mit Brandspuren

Im Normalfall ist die Spannung über dem Lichtbogen auf die Leerlaufspannungen aller Zellen im Substring begrenzt. Dadurch wird auch die im Lichtbogen umgesetzte Verlustleistung begrenzt. Trotzdem kann die Leistung im ungünstigsten Fall dazu ausreichen die Modulglasscheibe zum zerbersten zu bringen. Noch ungünstiger ist es, wenn ein Funke die Rückseitenfolie entzündet. Die hier gezeigten Fotos zeigen das typische Fehlerbild mit einer verkohlten Rückseitenfolie. Im Video unten kann man dann noch sehen, wie dieses Fehlerbild entsteht. In den Videos wurde der Lichtbogen künstlich mit Hilfe des pvServe gezündet und es waren dazu im Test deutlich höhere Spannungen erforderlich als die Leerlaufspannungen von 24 Zellen. So ganz unrealistisch ist die Simulation dennoch nicht. Stellt man sich vor, dass eine Bypassdiode die dauerhaft aktiv und damit einem wesentlich stärkeren Stress ausgesetzt ist plötzlich versagt, so können durchaus Lichtbogenspannungen von mehreren hundert Volt entstehen. Dass es vereinzelt schon zu Bränden an den Rückseitenfolien gekommen ist zeigt, dass die Fehlerursache anhand der hier gezeigten Videos ganz gut studiert werden kann.

Rückbestromung
Für die Nutzer unseres pvServe zur Fehlersuche sei in Bezug auf das hier beschriebene Fehlerbild noch folgendes angemerkt:
Sobald in einem Substring eine Verbindung vollständig getrennt ist, kann man nicht mehr rückbestromen. Der Fehler lässt sich dann – wie oben beschrieben – sinnvollerweise nur mit einer Thermographieuntersuchung tagsüber lokalisieren. In Vorwärtsrichtung – also durch die Bypassdioden – kann man noch bestromen. Dadurch lässt sich der Fehler auch eindeutig von einem durchtrennten DC Kabel außerhalb des Moduls unterscheiden. In Fällen, wo der Kontakt noch nicht vollständig getrennt ist, besteht beim Rückbestromen die Gefahr einen Lichtbogen zu zünden.

brennender Lichtbogen beim Rückbestromen eines Stranges mit hochohmigem Kontakt.

Dadurch wird der Fehler zwar schnell lokalisiert, man kann jedoch auch versehentlich einen Brand verursachen. Es ist daher zwingend erforderlich, bei einer solchen Untersuchung immer zu zweit zu sein, die bestromten Module genau zu beobachten und sehr behutsam vorzugehen. Fälle mit solchen typischen „Wackelkontakten“ sind einfach dadurch zu erkennen, dass die Spannung am pvServe bei konstant geregeltem Strom sehr stark schwankt (oft um 10-40V). Auch an der Dunkelkennlinie ist ein schlechter Kontakt sofort erkennbar.

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

Bleibt zu hoffen, dass möglichst viele (am besten alle) dieser Schäden frühzeitig erkannt werden, um schlimmere Folgen zu vermeiden und dass die Modulhersteller ihr Qualitätsmanagement dahingehend verbessern, dass solche Fehler zukünftig nicht mehr vorkommen.

 

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