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Ergänzung Arbeitspaket 5.3

Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht

Abschlusstreffen März 2013

© Feuerwehr Weblog

Marcus Reichard, Florian Reil, Annett Sepanski

Abschlussbericht

Arbeitspaket 5.6

Motivation

Bisherige Arbeiten

Aktivitäten TÜV Rheinland

Recherche IST-Zustand

Versuche

Empfehlung

Ausblick

März 2013

Inhalt

Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“

Arbeitspaket 5.6

Im Hinblick auf die zusätzlichen Gefahren beim Brand von Gebäuden, an oder auf denen

sich eine PV-Anlage befindet, sollen sowohl für die Feuerwehren, aber auch für die

Betreiber, Handlungsanweisungen festgelegt werden. Die aktuellen Ergebnisse

bisheriger Arbeitspakete fließen in diese Konzepte ein, welche in Form von normativen

Leitvorschriften den Berufs- und Freiwilligenfeuerwehren und Anlagenbetreibern zur

Verfügung gestellt werden.

Ergänzung:

Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“

März 2013

AP 5.6 Erstellung von Handlungsanweisungen für Feuerwehreinsatzkräfte in

Zusammenarbeit mit den Berufsfeuerwehren für den Brandeinsatz bei

Beteiligung einer PV-Anlage


Motivation

Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik, ob Kunstlicht gefährliche Ströme

und Spannungen in PV-Anlagen erzeugen kann.

Es sollen berücksichtigt werden:

- Verschiedene Scheinwerferarten

- Verschiedene Modultechnologien

- Variable Abstände

März 2013

Aufgabenstellung


Bisherige Arbeiten

„Gefährdung der Feuerwehr beim Löschangriff an PV-Anlagen bei Mond- und

Kunstlicht“

Versuche an längsorientierten Strängen mit Halogenscheinwerfern 1 kW und 2 kW

Ergebnisse:

- Bei Kunstlicht besteht keine Gefährdung

- Inhomogene Ausleuchtung der Module

durch längsorientierte Ausrichtung

- Leerlaufspannung UL ≤ 60 % von UL-STC

- Kurzschlussstrom IK ≤ 0,1 % von IK-STC

März 2013

Prof. Dr. Häberlin – Berner Fachhochschule

© Prof. Dr. Häberlin BFH-TI


Sofern ein Mindestabstand von 12 m (1 kW)

bzw. 17m (2 kW) eingehalten wird

Bisherige Arbeiten

„Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project“ November 2011

Im Auftrag des United States Department of Homeland Security und der Federal

Emergency Management Agency wurden durch Underwriters Laboratories Inc. die

möglichen Risiken, welche durch eine PV-Anlage für Einsatzkräfte der Feuerwehr

entstehen können untersucht.

Folgende Aspekte wurden untersucht (Auszug):

- Stromschlaggefahr

- Elektrisch isolierende Eigenschaften von Feuerwehr Handschuhen und Stiefeln

- Zerstören von PV-Modulen unter Last zur Not-Freischaltung

- Beurteilung der Gefährdung bei Bestrahlung der PV-Anlage durch

- Feuerschein

- Schwaches Umgebungslicht

- Künstliches Licht

März 2013

Underwriters Laboratories Inc.


Bisherige Arbeiten

Ergebnis: Die Einsatzstellenbeleuchtung der Feuerwehr kann in Abhängigkeit des

Abstandes und der Leistung der Scheinwerfer die Gefahr eines elektrischen Schocks

verursachen.

Es ist nicht bekannt, mit welcher Scheinwerfertechnologie

gearbeitet wurde (vermutlich Halogenlampen) und welche

Bestrahlungsstärken erzeugt wurden.

März 2013

Underwriters Laboratories Inc.

© Underwriters Laboratories

©

Underwriters

Laboratories

Bed: Ladefläche

Boom: Ausleger


Aktivitäten TÜV Rheinland

Definition einer Abstandsformel, über die im Brandeinsatz mit beteiligter PV-Anlage der

notwendige Mindestabstand zwischen Scheinwerfer und PV-Anlage bestimmt werden

kann

Anforderungen:

- Allgemeingültige Anwendbarkeit (unabhängig von der vorhandenen

Scheinwerfer- und Zelltechnologie)

- Anwendung auch unter hoher psychischer und physischer Belastung

möglich

März 2013

Zielsetzung



Glühlampen

- Halogenscheinwerfer (H)

Gasentladungslampen

- Leuchtstofflampen (LS)

- Halogen-Metalldampflampen (HM)

- Natriumdampf-Hochdrucklampen (HN)

- Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (HQ)

- Xenon-Bogenlampen (Xenon)

Leuchtdiode (LED - Light-Emitting Diode)

März 2013

Scheinwerferarten - Theorie



Abfrage bei den Leitern der Berufsfeuerwehren in Deutschland ergab:

Großflächige Einsatzstellenbeleuchtung durch:

- Flutlichtscheinwerfer mit Glühlampen (H)

Leistung: i.d.R. 1.000 – 1.500 [W] (selten auch 500 bzw. 2.000 [W])

Montage: Stativ, LiMa, DLK, ...

- Flutlichtscheinwerfer / Leuchtballons mit Gasentladungslampen (HM/HQ)

- Leistung: i.d.R. 1.000 [W]

- Montage: Stativ, LiMa, DLK, ….

- Arbeitsscheinwerfer mit Gasentladungslampen (Xenon)

- Leistung: bis ~100 [W]

- Montage: LiMa, DLK, …

- Arbeitsscheinwerfer mit LED-Lampen

- Leistung: bis ~150 [W]

- Montage: LiMa, DLK, Stativ, …

März 2013

Scheinwerferarten - Praxis Berufsfeuerwehr Deutschland


LiMa = Lichtmast

DLK = Drehleiter mit Korb

Versuche

März 2013

Problemstellung (1/2)

Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von

seiner aufgenommenen Leistung?

Vergleich unterschiedlicher Leistungsklassen innerhalb einer

Scheinwerfertechnologie

Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums

bereits ausgeschlossen werden?

Vergleich der spektralen Bestrahlungsstärke GE verschiedener Scheinwerfer

mit der spektralen Empfindlichkeit S unterschiedlicher Zelltechnologien

Scheinwerfer mit „unkritischem“ Spektrum ermitteln

Können Scheinwerfer auf Grund ihrer Bauform bereits ausgeschlossen werden?

Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer

ermittelt werden?


Versuche

März 2013

Problemstellung (2/2)

Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung

einer PV-Anlage?

Auf die Bestrahlungsstärke G bezogen

Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem / mehreren

Modul(en) mit einem / mehreren Scheinwerfer(n) erzeugt werden?

Worst-Case Körperwiderstand RK von 500 [Ω]


Versuche

März 2013

Gliederung


Versuche

März 2013

Verfügbare Scheinwerfer


Block 1 - Spektralvermessung

März 2013

Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Zelltechnologien

Relative spektrale Empfindlichkeit SREL verschiedener Zelltechnologien (Werte können herstellerabhängig Unterschiede aufweisen)



März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“


März 2013

Ergebnisse

Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von

seiner aufgenommenen Leistung?

Ja, Scheinwerfer mit max. Leistung = Worst-Case

(Unterschiede bedingt durch Schutzglas und Reflektor)

Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums

bereits ausgeschlossen werden?

Nein, Ausschluss nur über die aufgenommene Leistung möglich

Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer

ermittelt werden?

Nein, da η sich auf den visuellen Spektralbereich bezieht

Definition kritischer Scheinwerfer-Zell-Technologien daher über den theoretisch in 3 [m]

Abstand erzeugten Kurzschlussstrom ISC-ZELLE innerhalb einer Zelle


Block 1 - Verteilung


d = 1,5 [m] d = 1 [m]

d = 0,5 [m]

Block 1 - Verteilung

März 2013

Ergebnisse

Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung

einer PV-Anlage?

Homogenität steigt, wenn…

- der Abstand zwischen Scheinwerfer und Modul vergrößert wird;

- es zu einer Überlagerung mehrerer Scheinwerferkegel kommt;


Block 1 – Scheinwerfer-Modul

März 2013

Module:

1.500 [W] Scheinwerfer mono c-Si (MSK Corporation, Modell LPS125-180, ISC-STC: 6,58 [A], UOC-STC: 44,6 [V])

1.000 [W] Scheinwerfer poly c-Si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])


d = 6 [m]


März 2013

Module:

1.500 [W] Scheinwerfer mono c-Si (MSK Corporation, Modell LPS125-180, ISC-STC: 6,58 [A], UOC-STC: 44,6 [V])

1.000 [W] Scheinwerfer poly c-Si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])




d = 0,5 [m]

Block 1 - Scheinwerfer-Modul

März 2013

Ergebnisse

Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem Modul mit

einem Scheinwerfer erzeugt werden?

Bei Halogenscheinwerfer 1.000 [W], d = 6 [m]:

IRK=500Ω = 32,8 [mA] ISC = 40,4 [mA]

URK=500Ω = 16,6 [V] UOC = 30,9 [V]

Extrapolation daher mit ISC- / UOC-Werten

Gefährdungsgrenze: 25 [mA] (Obergrenze IEC 60479-1 Bereich 2)

Minimalabstand: 8,75 [m]


Block 2 - Modellversuche

März 2013

Module: 6 x poly c-Si in Reihe (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])



März 2013

Messwerte

Extrapolation

Vergleich der ISC-Extrapolationen aus Block 1 Versuch 3 mit den Messwerten aus Block 2 K6



März 2013

Ergebnisse

Welche Spannungen / Ströme können durch die Ausleuchtung mehrerer Module mit

mehreren Scheinwerfern erzeugt werden?

Beispielhaft für d = 10 [m] und 1 Strang (10 poly c-Si Module in Reihe)


Versuche

Kunstlicht ist dazu in der Lage, Spannungen und Ströme in einer PV-Anlage zu

erzeugen, welche als gefährlich zu beurteilen sind!

März 2013

Schlussfolgerung

Bedingung Randbedingung im Einsatz gegeben?

Senkrechte Einstrahlung auf Modulfläche Unwahrscheinlich

Maximale Verteilungshomogenität der

Bestrahlungsstärke

Unwahrscheinlich

Scheinwerfer = Punktstrahler Nein

Körperwiderstand RK = 0 [Ω] > 500 [Ω]

Kombination der kritischsten

Scheinwerfertechnologie

Anwendung verschiedener

Scheinwerfertechnologien

Ausrichtung der Scheinwerfer auf max.

Bestrahlungsstärke

Ausrichtung der Scheinwerfer auf max.

Beleuchtungsfläche

Keine Verschattung der Module Teilverschattung durch z.B. Rauch


Empfehlung

März 2013

Abstandsformel


Als Grundabstand für 1.000 [W] Leistung gilt 10 [m]

Wenn die Scheinwerferleistung erhöht wird:

Grundabstand + 1,5 [m] je 1.000 [W] zusätzlicher Leistung

Anwendbar auch unter hoher psychischer und physischer Belastung

Allgemeingültig für jede Scheinwerfertechnologie anwendbar

Empfehlung

März 2013

Abstandsformel - Überprüfung

𝒅∑𝑷𝑨𝑼𝑭>1𝒌𝑾 = 𝟏𝟎 𝒎 + ∑𝑷𝑨𝑼𝑭 𝒌𝑾 ∗ 𝟏, 𝟓𝒎

𝒌𝑾


Ausblick

März 2013

Block 3

Überprüfung der Abstandsformel an bestehender PV-Anlage

Größenordnung Ein- bzw. Mehrfamilienhaus

Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit mono c-Si Zellen

Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit ISC-STC > 4,7 [A]


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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