KAPAZITÄTSMESSUNG AN STANDARD- UND · PDF file1,5 MW PV-Anlage auf Zypern / Betreiber Fa....

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© Fraunhofer ISE 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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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

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