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LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Konrad Mertens, David Pascual Fachhochschule Münster, Photovoltaik-Prüflabor,

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1 LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Konrad Mertens, David Pascual Fachhochschule Münster, Photovoltaik-Prüflabor, Steinfurt Matthias Diehl photovoltaikbuero, Ternus und Diehl GbR, Rüsselsheim

2 Motivation Umbau von Spiegelreflexkameras Optimierung der Technik für Outdoor-EL Wie werden die Messungen durchgeführt? Konkrete EL-Messbeispiele Was kann man damit sonst noch anfangen? Fazit Gliederung 2K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

3 3K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Motivation

4 Motivation 1 4 Normalerweise: EL-Messung im Labor K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Vorteile: + Kein Umgebungslicht + Stabile Messbedingungen + Man wird nicht nass… Nachteile: - Demontage, Transport, Messung im Labor, Transport, Neumontage  Riesenaufwand - Ggf. zusätzliche Schäden (Mikrorisse etc.) durch Demontage und Transport - Es werden immer nur einzelne Module vermessen

5 Motivation 2 5 Modulpreise gehen zurück K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Quelle: K. Mertens: Lehrbuch Photovoltaik [1] z.B.: 2010: Modul kostete 400 – 500 Euro Flasher- u. EL-Messung kostete zusammen 250 Euro Zusätzlich Demontage und Transport 2015: Modul kostet Euro Demontage- und Transportkosten sind gleich geblieben Flasher- u. EL-Messung kostet zusammen ?? Euro

6 Motivation 3 6 Günstige EL-Kameras möglich K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Paper Staffelstein 2012: [2] Mertens, K., Stegemann, Th., Stöppel, T.: LowCost EL: Erstellung von Elektrolumineszenzbildern mit einer modifizierten Standard-Spiegelreflexkamera Normale Spiegelreflexkamera (300 €) einfach umbaubar für EL-Messungen Zusammen mit IR-Objektiv und Kleinteilen: ca. 900 €  Raus aufs Dach damit!

7 7K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Umbau von Spiegelreflexkameras

8 Umbau von Spiegelreflex-Kameras 8 EL-Spektrum liegt im Infrarotbereich CCD-Sensor ist dort unempfindlich K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Kamera enthält Sperrfilter für IR  Nur schwaches EL-Signal!  muss ausgebaut werden! Wellenlänge in µm Relative spekt. Empfindlichkeit in % Relatives Emissions- spektrum in % ,30,40,50,70,60,80,91,11,01,21,31, sichtbarIRUV IR-Sperrfilter Wellenlänge in µm Relative spekt. Empfindlichkeit in % Rel. Emissions- spektrum von c-Si Relatives Emissions- spektrum in % ,30,40,50,70,60,80,91,11,01,21,31, Empfindlichkeit des Si-CCD-Sensors sichtbarIRUV Quelle: Köntges, M. et al [3] Gemessene Lumineszenz

9 Umbau von Spiegelreflex-Kameras 9K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Kamera geöffnet, Bildsensor freigelegt Bildsensor entfernt, IR-Filter freigelegt Arbeitsplatz mit benötigten Werkzeugen IR-Filter entfernt

10 Umbau von Spiegelreflex-Kameras 10K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Qualitätsvergleich Spezialkamera (> €)Canon EOS 1100D (900 €)  Absolut ausreichend für die Erkennung von Fehlern

11 11K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Optimierung der Technik für Outdoor-EL

12 Wellenlänge in µm Relative spekt. Empfindlichkeit in % Rel. Emissions- spektrum von c-Si Relatives Emissions- spektrum in % ,30,40,50,70,60,80,91,11,01,21,31, Gemessene Lumineszenz Sonnen- spektrum sichtbarIRUV Sperrbereich Tageslichtfilter Optimierung der Technik für Outdoor-EL 12 Problem: Sonnenlicht stört! K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen  Abhilfe: Tageslichtfilter Das reicht noch nicht  Zusätzliches IR-Kantenfilter Wellenlänge in µm Relative spekt. Empfindlichkeit in % Rel. Emissions- spektrum von c-Si Relatives Emissions- spektrum in % ,30,40,50,70,60,80,91,11,01,21,31, Gemessene Lumineszenz Sonnen- spektrum sichtbarIRUV Sperrbereich Tageslichtfilter Sperrbereich Infrarotfilter IR- Kantenfilter

13 Optimierung der Technik für Outdoor-EL 13 Optimierung der Filterkantenwellenlänge K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Wellenlänge in µm Relative spekt. Empfindlichkeit in % Rel. Emissions- spektrum von c-Si Relatives Emissions- spektrum in % ,30,40,50,70,60,80,91,11,01,21,31, Sonnen- spektrum sichtbarIRUV Sperrbereich Tageslichtfilter IR- Kantenfilter  Vergleich bestromtes und unbestromtes Modul Kantenwellenlänge des IR-Filters in nm Helligkeit (Grauwerte, 8 bit) bestromt (Sonnenlicht und EL-Licht) unbestromt (nur Sonnenlicht) Optimum!

14 Optimierung der Technik für Outdoor-EL 14 Ergebnis (soeben untergegangene Sonne…) K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Nur Tageslichtfilter: Tageslichtfilter und Kantenfilter (1050 nm): Differenzbild (bestromt minus unbestromt): Im vollen Sonnenlicht: bisher keine auswertbaren Aufnahmen, ggf. lösbar über Lock-In-Technik

15 15K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Wie werden die Messungen durchgeführt?

16 16 Typischer Messaufbau K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Stringbestromung über Netzteil (z.B. halber Kurzschlusstrom) Scharfstellung im Videomodus Belichtungszeiten zwischen 0,5 und 5 sek Ggf. Differenzbildaufnahme (bestromt, unbestromt) Kamera Laptop Hochvolt- Netzteil USB IR

17 Wie werden die Messungen durchgeführt? 17 Verwendetes Netzteil K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen „pvServe“: U = V, I = A, P Max = 3,3 kW Betreibbar an 230 V - Steckdose Fernsteuerbar über USB-Bus

18 18K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Konkrete EL-Mess-Beispiele

19 Konkrete EL-Messbeispiele 19 Wie sind die Strings verkabelt? K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen String 1:String 2:

20 Konkrete EL-Messbeispiele 20 Aufnahme Flachdachanlage K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Gesamtansicht: Detailansicht:

21 Konkrete EL-Messbeispiele 21 Aufnahme Schrägdachanlage K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Gesamtaufnahme: Inaktive Zellverbinder Mikroriss Hotspot Detailaufnahme:

22 Konkrete EL-Messbeispiele 22 Fehlerbild: Bypassdioden im Kurzschluss K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen überbrückte Zellstrings aktiver Zellstring intaktes Modul

23 Konkrete EL-Messbeispiele 23 Fehlerbild: Potentialinduzierte Degradation (PID) K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen  Effekt ist Vorort eindeutiger zu ermitteln als am Einzelmodul im Labor!  Hochvolt-Netzteil kann ggf. zur Heilung der PID genutzt werden ( V gegen Masse)

24 24K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Was kann man damit (mit dem Netzteil) sonst noch anfangen?

25 Was kann man damit sonst noch anfangen? 25 Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen  Anlegen einer negativen Spannung an den String:  Betroffenes Modul heizt sich auf

26 Was kann man damit sonst noch anfangen? 26 Erkennung von nicht kontaktierten oder fehlenden Bypassdioden K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen  Mit Thermographie ist betroffenes Modul leicht zu finden Betroffener Zellstring

27 Was kann man damit sonst noch anfangen? 27 Rückstromthermographie („Nacht-Thermographie“) K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen  Hotspots (durch Kontaktfehler) deutlich besser detektierbar als bei Tag-Thermographie (keine Aufheizung der Zellen durch Sonnenlicht, keine Reflexionen des Sonnenlichts)

28 Was kann man damit sonst noch anfangen? 28 Schnee abtauen… K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

29 Was kann man damit sonst noch anfangen? 29 Schnee abtauen… K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

30 Was kann man damit sonst noch anfangen? 30 Schnee abtauen… K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

31 31K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Fazit

32 Vorort-Modul-Messungen bringen viele Vorteile Umgebaute Spiegelreflex-Kameras zeigen hohe EL-Bildqualität Zusätzliches IR-Kantenfilter erlaubt Messungen auch bei schwachem Tageslicht Outdoor-EL spürt Vielzahl von Fehlerarten eindeutig auf Hochvolt-Netzeil erlaubt weitere Analysen der Anlage LowCost-Outdoor-El kann Standardmessmethode für Vorort- Messungen werden neben der Kennlinienmessung und der Thermographie Fazit 32K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

33 Danksagung 33K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen [1]Mertens, K.: Photovoltaik – Lehrbuch zu Grundlagen, Theorie und Praxis, 3. Auflage, Hanser Verlag, 2015 [2]Mertens, K., Stegemann, Th., Stöppel, T.: LowCost EL: Erstellung von Elektrolumineszenzbildern mit einer modifizierten Standard-Spiegelreflexkamera, 27. Symposium Photovoltaische Solarenergie, S , Staffelstein, 2012 [3]Köntges, M. et al.: Elektrolumineszenzmessung an PV-Modulen, ep Photovoltaik aktuell, Heft 7–8/2008, S. 36–40 Dank an: Matthias Diehl (photovoltaikbuero, Ternus und Diehl GbR) David Pascual(Fachhochschule Münster) Sebastian Bringemeier “ Tim Horstmann “ Mark Kleine Vorholt “ Daniel Lindenschmidt “ Samuel Reis “ Quellen:

34 Lehrbuch Photovoltaik 34K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Photovoltaik endlich mal wirklich verstehen…

35 35K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Abbildungen zum Download:

36 Freie PV-Software zum Download: 36K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen

37 37K. Mertens | LowCost-Outdoor-EL: Kostengünstige umfassende Vorort-Qualitätsanalyse von Solarmodulen Danke für die Aufmerksamkeit! Hinweis: Die Fachhochschule Münster bietet den Umbau von kostengünstigen Kameras für EL-Messungen an:


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