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12. TÜV Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“
Heinrich Berg, Min Hsian Saw
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
TestLab PV-Modules
Köln, 13. November 2015
KAPAZITÄTSMESSUNG AN STANDARD- UND SONDERMODULEN
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AGENDA
Arbeitsgebiete TestLab PV-Modules
Einleitung und Motivation
Allgemeine elektrotechnische Grundlagen
Vergleich der Messverfahren und Messgeräte
Einflussfaktoren auf die Höhe der Kapazität am PV-Modul
Kapazität als Indikator für Feuchte-Diffusion
Kapazitive Ableitströme aufgrund AC-Ripple auf Generatorspannung
Praxisbeispiel mit Berechnung auf Modul und Systemebene
Zusammenfassung und Ausblick
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Arbeitsgebiete TestLab PV-ModulesModulprüfung, Analyse und Zertifizierung
Akkreditiertes Prüflabor nach IEC 17025für die Prüfnormen
IEC 61215 - IEC 61646 - IEC 61730- 1/2
Fehleranalyse
Identifikation von Fehlerursachen und relevante Belastungsfaktoren
Prävention von Defekten
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Solarmodul als Kondensator?
Anfrage aus Industrie bez. präziser Kapazitätsbestimmung
Bringen unterschiedliche Messverfahren vergleichbare Messergebnisse?
Welche Auswirkung haben Temperatur und Luftfeuchte auf die parasitäre Kapazität?
Gibt es eine Spannungsabhängigkeit?
Können anhand des Parameters Kapazität Erkenntnisse über die Feuchtediffusion in Einkapselungsmaterialien gewonnen werden?
Einleitung und Motivation
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Allgemeine elektrotechnische GrundlagenElektrische Kapazität
Grundaufbau eines Kondensators
Berechnung der Kapazität des Kondensators
C
Für Gleichstrom gilt:
Der Kondensator sperrt nach dem Ladevorgang den Gleichstrom
Für Wechselstrom gilt:
Der Kondensator wird ständig umgeladen was einen Blindstrom
zur Folge hat.
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Allgemeine elektrotechnische GrundlagenKapazitives Verhalten beim PV-Modul
Zustand 1: Trocken
Zustand 2: Nass
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Vergleich der Messverfahren:
Messverfahren „Ladekurve“Hand LCR-
MeterTisch LCR-
Meter„T-RMS“
Testsignal DC AC AC AC
Signalhöhe 500 V 1 Vrms 1 Vrms 230 Vrms
Testfrequenz 0 Hz 1 kHz 10 kHz 50 Hz
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Vergleich der MessverfahrenMessungen an realem Kondensator und PV-Modul
1,0151,04 1,0337
0,48684
0,3386
0,270790,29632
0,4931
0,3419
0,27227 0,2958
Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4 Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4 Methode 1 Methode 2 Methode 3 Methode 4
Kondensator Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Messverfahren
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n nF
"Ladekurve"
Hand-LCR-Meter
Tisch-LCR-Meter
"RMS"
Differenz max. 2,4 %
Differenz max. 81 %
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Vergleich der MessverfahrenMessungen an PVT-Kollektor (metallische Rückseite)
PVT Kollektor - Meyer Burger AG
29,4628,02 27,7
29,24
"Ladekurve" Hand-LCR-Meter Tisch-LCR-Meter "RMS"0
5
10
15
20
25
30
35
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n nF
Messverfahren
PVT-Modul
Messwerte Differenz max. 6,3 %
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Einflussfaktoren auf die parasitäre KapazitätDC-Spannungsabhängigkeit
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100100
150
200
250
300
350
400
450
500 Beispiel Standardmodul
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n pF
DC-Spannung in V
Messwerte Mittelwert
Versuchsparameter:
Messmethode: DC-Ladekurve
Zustand des Moduls: trocken
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Einflussfaktoren auf die parasitäre KapazitätAC-Spannungsabhängigkeit (40 – 250Veff)
Versuchsparameter:
Messmethode: „T-RMS“
Zustand des Moduls: trocken
0 50 100 150 200 250 30080
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
gem
esse
ne p
aras
itäre
Kap
azitä
t in
pF
AC-Spannung in Veff
Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B Standardmodul Typ-C
Beispiel Standardmodule
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Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor - Temperatur
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n pF
Temperatur in °C
TPT PETSiOx Primer-PET PP-PET
Versuchsparameter:
RH = 20 %
Temperaturbereich: von 45 °C bis 95 °C
Messung nach 60 min Temperierung
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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 3400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Feuchtigkeitsprofil zeitlicher Kapazitätsverlauf
Zeit in min
rela
tive
Luftf
euch
tigke
it R
H in
%
380
390
400
410
420
430
440
450
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n pF
stabiler Zustand
t
Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor – Feuchte/Betauung
Versuchsparameter:
T = 45 °C und 85 °C
RH: von 25 % bis 95 %
Intervall: 10 %
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Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor – Feuchte/Betauung
20 30 40 50 60 70 80 90 100-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
rela
tive
Kap
azitä
tsän
deru
ng in
%
relative Luftfeuchtigkeit in %
T = 45 °C T = 85 °C
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Exponierung der Module gegenüber Damp-Heat-Bedingungen (T = 85 °C und RH = 85 %
Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor – Feuchtediffusion
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
50
100
150
200
250re
lativ
e K
apaz
itäts
ände
rung
in %
Zeit in h
TPT PETSiOx Primer-PET PP-PET
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Einflussfaktoren auf die parasitäre Kapazität Einflussfaktor – einseitige/beidseitige Benässung
0,48684 0,48475 0,53489 0,4931
29,46 30,51 30,71 31,34 30,71
49,31
105,31 106,14
90,26 91,1
50,98
M5 M6 M7 M8 PVT M5 M6 M7 M8 PVT M5 M6 M7 M8 PVTtrocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110pa
rasi
täre
Kap
azitä
t in
nF
Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B PVT
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
1,5 MW PV-Anlage auf Zypern / Betreiber Fa. FILKAB Solar
70 Inverter (Trafolos / dreiphasig)
Inverterbeschaltung: 4 Strings mit jeweils 22 PV-Module
Konfiguration des PV Generators
6116 PV Module mit 245 W Nennleistung
2046 Module von Typ 1 / 4070 Module von Typ 2
Inverter-Abschaltung in Morgenstunden (Periode Oktober – April) aufgrund zu hoher Ableitströme (bzw. zu geringem Isolationswiderstand?)
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
Spannungsverläufe an Solargeneratoranschlüssen
Ableitströme > 50 mA sollen
vermieden werden!
Potenzialverlauf des dreiphasigen transformatorlosen Wechselrichters mitgeteiltem Spannungszwischenkreis und Hochsetzsteller
AC-Ripplespannung
30-40VeffFrequenz: 150 Hz
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
Kalkulation des Ableitstrom auf String/Inverter-Ebene
Berücksichtigung des RISO für DC- und AC-Anteil bez. auf Modulposition im String
Berechnung des kapazitiven Blindstroms und Addition der Ableitströme (Parallelschaltung)
Addition der String-Ableitströme zum Gesamt-Ableitstrom des Inverters
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung
050
100150200250300350400450500550600650700750800850
Isol
atio
nsw
ider
stan
d in
MO
hm Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B
RISO bei unterschiedlichen klimatischen Labor-Bedingungen
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
0,48684 0,48475 0,53489 0,4931
30,51 30,71 31,34 30,71
105,31 106,14
90,26 91,1
M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung
0
20
40
60
80
100
120
Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B
gem
esse
ne K
apaz
ität i
n nF
C-Messung bei unterschiedlichen klim. Labor-Bedingungen
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PraxisbeispielInverterabschaltung aufgrund zu hoher Ableitströme
0,6051 0,6016 0,6598 0,6042
36,07 36,28 37,12 36,33
124,1 125,1
106,2 107,1
M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8 M5 M6 M7 M8trocken Benässung auf Glas beidseitige Benässung
0
20
40
60
80
100
120
140
Leck
stro
m p
er In
vert
er in
mA
Standardmodul Typ-A Standardmodul Typ-B
Theoretische Berechnung des Ableitstroms auf Inverter-Ebene
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Solarmodule weisen neben dem Isolationswiderstand einen zu berücksichtigenden kapazitiven Anteil auf.
Eine Absolutwert-Messung ist im trockenen Zustand aufgrund des nicht typischen Kondensator Aufbaus schwierig.
Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, muss das Messverfahren, anzuwendende Parameter und die Umgebungsbedingungen spezifiziert werden.
Die parasitäre Kapazität ist gering Temperaturabhängigkeit.
Die Veränderung der elektrischen Kapazität ist besonders signifikant bei einer RH-Zunahme von 85 % auf 95 %.
PVT Module weisen bauartbedingt eine wesentlich höhere parasitäre Kapazität auf. Trotzdem erreicht die Kapazität im komplett nassen Zustand nur ca. 50% der Kapazität eines Standard-Moduls (bezogen auf aktuelles Beispiel)
Fazit & Ausblick
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Ein deutlicher Unterschied in der Reaktion der Module auf die Feuchte-Wärme- Langzeit Exposition ist erkennbar.
Ein qualitatives Erfassen der Feuchtigkeitsdiffusion ist möglich.
materialabhängige Unterschiede könnten sichtbar gemacht werden.
Ein In-Situ Monitoring während Feuchte-Wärme Alterung wird im TLPV evaluiert.
Wie im aktuellen Praxis-Beispiel ersichtlich, muss die parasitäre Kapazität bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden. Andernfalls werden u.U. Gegenmaßnahmen (ext. Kompensationskondensator / spez. Regelungsverfahren / ext. Fehlerstromschutzschalter) erforderlich.
Fazit & Ausblick
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heinrich Berg
www.ise.fraunhofer.de
