Portable LED-Flasher

Fällt einem Anlagenbetreiber eine Minderleistung seines PV-Kraftwerks aufgrund von Messungen des Stromzählers oder einzelner String­ertrags­mes­sungen der Wechsel­richter auf, ist ein Qualitätsproblem bei den Solarmodulen wahrscheinlich. Um Garantie­ansprüche beim Hersteller geltend zu machen, müssen zumindest teilweise die Solarmodule einer Nennleistungs­messung unterzogen werden. Üblicher­weise wird dazu eine kleine Anzahl von Solarmodulen von der Anlage demontiert, an ein zertifiziertes Labor verfrachtet und dort bei STC-Bedingungen (1000 W/m², 25 °C, AM1.5G) mit hochwertigen Messgeräten vermessen. Der finanzielle Aufwand für eine solche Messung bewegt sich im Bereich des Neupreises eines Solarmoduls. Ertragsausfälle aufgrund der fehlenden Solarmodule kommen noch hinzu. Das Risiko einer Beschädigung bei der Demontage der Stichprobenmodule ist hoch. Die geringe Stichprobenanzahl aufgrund der hohen Kosten erschwert die Eingrenzung des Problems in Grossanlagen und die Aussagekraft der Stichprobe, wenn Hunderte bzw. Tausende Solarmodule im Betrieb sind.

Gegenüber der trivialsten Variante der Nennleistungs­bestimmung – der Kenn­linien­messung unter natürlicher Sonnen­einstrahlung – ist der Einsatz des Portable LED-Flashers (PLF) unabhängig von der Sonnen­einstrahlung und somit praktisch bei jedem Wetter (z.B. Nachtmessungen) möglich. Zudem ist die Unsicherheit der Messung deutlich geringer.

Optimierung des Prototypen

Die ZHAW hat bereits 2014 mit dem Portable LED-Flasher ein Messinstrument entwickelt, welches die Nennleistungs­bestimmung direkt auf der PV-Anlage zulässt.[1] Der PLF beleuchtet das darunter liegende, zu messende Modul mittels vieler LEDs und misst dabei die Strom-Spannungskennlinie, woraus die maximale Leistung bestimmt wird. Dazu muss das Modul nicht demontiert werden und die totale Messzeit inkl. Handling reduziert sich auf wenige Minuten. In Zusammenarbeit mit Electrosuisse und mit Unterstützung vom BFE wurde das erste Funktionsmuster weiterentwickelt und die Anwendung des neuen PLF im Feld getestet.[2] Das Spektrum der über 5000 LEDs wurde mit elf verschiedenen Wellenlängen optimiert. Die Belichtungszeit ist zwischen 10 ms und 500 ms auf das zu messende Modul einstellbar, was für hocheffiziente Module entscheidend ist. Ein weiteres Kriterium für die möglichst geringe Unsicherheit der Nennleistungsbestimmung ist die Uniformität der Beleuchtungsstärke. Durch die optimale Anordnung der LEDs wird eine Nicht-Uniformität von 1,7% erreicht.[3]

Für eine bessere Handhabung wurde das Messgerät mit Lithium-Batterien, eingebaut in einem Batteriekoffer, ausgestattet. Die Netzunabhängigkeit vereinfacht das Handling und erlaubt eine Messdauer von einem Tag, bevor die Akkus wieder geladen oder gewechselt werden müssen.

Vereinfachtes Handling

Durch die Reduktion des Gewichts von zirka 50 kg (erster Prototyp) auf 35 kg ist der Portable LED-Flasher hinsichtlich Handhabung deutlich verbessert worden. So genügen zwei instruierte Personen, um die Messung im Feld auszuführen. Die modulare Bauweise – der PLF lässt sich in drei Teile separieren – erlaubt es, das Messgerät mit einem PKW-Kombi oder sogar im Flugzeug zu transportieren. Die Steuerung und Auswertung der Messung geschieht auf einem handelsüblichen Tablet. Die Strom-Spannungskennlinie wird direkt am Bildschirm angezeigt und ermöglicht die Identifikation von auffälligen Modulen, z.B. abnormaler Verlauf der Kennlinie.

Geringe Messunsicherheit

In einem Ringversuch wurde unter Laborbedingungen (25 °C) dasselbe Referenzmodul mit diversen Messgeräten bzw. Flashern vermessen.[4] Die Abweichung der Messung mit dem PLF zum genausten Messlabor Europas, dem ESTI am JRC in Ispra, Italien, beträgt lediglich etwa 1%.

Erfolgreiche Feldmessungen

Um die Feldtauglichkeit des Messinstruments zu bestätigen, wurden an jeweils zwei Messtagen insgesamt drei PV-Anlagen vermessen. Ein erstes Indiz für einen erfolgreichen kommerziellen Einsatz ist der Messdurchsatz. So wurden in diesen ersten Probemessungen zwischen 158 und 231 Module an jeweils zwei Tagen vermessen, was im Schnitt etwa 100 Module pro Messtag entspricht. Die Rüstzeit wird auf zwei Stunden pro Anlage geschätzt, demzufolge kann die Messkadenz bei grösseren Stichprobenzahlen nochmals gesteigert bis verdoppelt werden.

Die Verifizierung der Resultate der Messungen mit dem PLF erfolgte durch eine Referenzmessung von jeweils 10 Stichprobe-Solarmodulen pro Anlage am zertifizierten Labor des Supsi. Die Abweichung dabei betrug maximal 3% und spricht somit für die Qualität des entwickelten portablen Messinstruments und der Methode.

Unsicherheitsfaktor Temperaturmessung

Als grösste Herausforderung bei den Feldmessungen stellte sich die exakte Messung der Modultemperatur heraus. Bei üblichen Nennleistungsmessungen im Labor werden die Module bei konstanten 25°C (STC-Bedingung) vermessen. Bei hoher Solareinstrahlung im Feld können sich die Module auf bis zu 60°C erhitzen. Die Messung mit dem PLF muss somit mit dem Temperaturkoeffizient korrigiert werden, um die Nennleistung bei STC 25°C zu bestimmen. Bei ändernder Bewölkung oder kurzfristiger (Teil-)Abschattung des zu messenden Moduls infolge des Überrollens mit dem PLF kühlt sich das Modul rasch ab. Die korrekte Erfassung der Modultemperatur zum Zeitpunkt der Leistungsmessung ist somit ein dominanter Parameter. Bei der Europäischen PV-Konferenz im September wurden die ersten Ergebnisse zur Unsicherheitsreduktion durch Verbesserung der Temperaturmessung präsentiert.

Kommerzielle Anwendung

Fällt einem Anlagenbetreiber eine Minderleistung seiner PV-Anlage auf, so kann mittels Auswertung der String­erträge oder Thermografiemessungen die mögliche Fehlerquelle eingegrenzt werden. Eine Stichprobenmessung mit dem PLF erlaubt dann einen deutlich höheren Umfang der untersuchten Solarmodule als mit herkömmlicher Methode im zertifizierten Labor. Insbesondere bei älteren Anlagen, oder nach Ablauf der Garantiedauer des Modulherstellers kann zusätzlich ein Retrofitvorschlag erstellt werden. Die Module werden dann in Leistungsklassen sortiert und neu angeordnet, um so den Gesamtertrag zu steigern.

Vor der Installation der PV-Module kann der PLF zusätzlich für eine Losabnahme eingesetzt werden. Die Module werden dabei z.B. auf einem Tisch im Akkord gemessen und der PLF alternierend zwischen zwei Positionen bewegt. Bei diesen vereinfachten Messbedingungen konnte ein Durchsatz von zirka 500 Modulen pro Messtag erzielt werden.

Referenzen

[1] D. Schär, F. P. Baumgartner, «Portable LED-Flasher with implemented Bypass Diode Tester», presented at the 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Amsterdam, 2014.

[2] Raphael Knecht, Franz Baumgartner, Christian Frei, Fritz Beglinger, «Schlussbericht: Machbarkeit der individuellen Nennleistungsmessung von im Feld montierten PV-Modulen mit dem Portable LED-Flasher», Bundesamt für Energie BFE, 9.2.2017, Contract Nr. SI/501330-01.

[3] «Photovoltaic Devices – Part 9: Solar Simulator Performance Requirements», IEC 60904-9:2007.

[4] T. Achtnich, F. P. Baumgartner, N. Allet, M. Pezzotti, J. Haller, B. Aeschbach, «Swiss Mobile Flasher Bus: Progress and New Measurement Features», presented at the EUPVSEC, Valencia, 2010.

[5] «Swiss PV Label | Erstes unabhängiges Qualitäts­label für Photovoltaik-Komponenten, -Anlagen und Serviceleistungen.» www.swisspvlabel.ch (Zugriff: 25-Nov-2016).