Bei Installation, Wartung und Betrieb von Solaranlagen sind Sicherheit und Effizienz entscheidend. Um dies zu gewährleisten sind Sicherheits- und Funktionstests wichtig.

Bei Installation, Wartung und Betrieb von Solaranlagen sind Sicherheit und Effizienz entscheidend. Um dies zu gewährleisten sind Sicherheits- und Funktionstests wichtig. (Bild: @saleem - stock.adobe.com)

Die Normen für die Installation, Prüfung und Wartung von PV-/Solaranlagen können verwirrend sein. Auch wenn Effizienz (Wirkungsgrad) große Bedeutung hat – nichts ist wichtiger als die Sicherheit, wenn es um die Einrichtung und den Betrieb von Solarstromanlagen geht.

Alle Beteiligten an der Installation und Wartung von Solaranlagen müssen daher das Ziel vor Augen haben, ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, während sie in zweiter Linie einen optimalen Wirkungsgrad anstreben. Diese Regel gilt unabhängig davon, ob es sich um eine private oder gewerbliche Solaranlage handelt, die in der Regel zwischen 100 kW und 1 MW Leistung erzeugt, oder um eine umfangreiche dezentrale Anordnung von Solarpaneelen auf einem Feld oder in einem Solarpark. Eine derartige Solaranlage an einem einzigen Standort kann mehr als 1 MW Strom erzeugen.

Unabhängig von der Art der Anlage ist der effiziente Betrieb von DC/AC-Wechselrichtern entscheidend dafür, dass Solarsysteme ihr volles Potenzial entfalten können. Um den Wirkungsgrad der Wechselrichter zu überprüfen, werden die DC-Eingangsleistung und die AC-Ausgangsleistung gemessen, ihr Verhältnis berechnet und mit den Angaben des Herstellers verglichen.

Inspektion und Prüfung gemäß den Anforderungen der Norm IEC/EN 62446 Teil 1

Bevor eine Solaranlage an das Netz angeschlossen und in Betrieb genommen wird, muss sie gemäß den Anforderungen der Norm IEC/EN 62446 Teil 1 geprüft werden. Grob gesagt, lassen sich die Prüfungen in zwei Kategorien einteilen – Sicherheit und Funktion.

Sicherheitsprüfungen bei Solaranlagen

Die wichtigsten Sicherheitsprüfungen sind die Durchgangsprüfungen der Erdungsleiter, da jedes einzelne Metallteil der Solaranlage mit diesen Leitern elektrisch verbunden sein muss, um das Risiko von Stromschlägen zu verringern. Auch der Isolationswiderstand der Verkabelung ist zu prüfen, insbesondere weil die Solarmodule seriell miteinander verschaltet sind und hohe Spannungen von 1000 bis 1500 V erzeugen können. Zu den weiteren Sicherheitsprüfungen gehören die Sichtprüfung der DC-Kreise, die Prüfung der Polarität und des Verteilerkastens sowie der Isolationswiderstand der DC-Kreise.

Funktionstests bei Solaranlagen

Funktionstests dagegen sind die Prüfung der Leerlaufspannung (VOC – die maximale Spannung, die ein Modul abgeben kann) und des Kurzschlussstroms (ISC) oder Betriebsstroms. Es ist immer wichtig, Leerlaufspannung und Kurzschlusstrom zu kennen, da sie wesentliche Indikatoren für den effizienten Betrieb einer Solaranlage sind. Um Zeit zu sparen, ist es manchmal möglich, Probleme nur anhand dieser Messwerte zu erkennen und nicht anhand der gesamten Strom-Spannungs-/I-U-Kennlinie, deren Überprüfung bei Großanlagen zeitaufwändig sein kann. Diese beiden Parameter sind im Datenblatt des Herstellers angegeben und dienen nicht der Sicherheit, sondern lediglich der Überprüfung, ob die Anlage wie erwartet funktioniert.

Solarmodule werden in der Regel in Reihe verschaltet, und die Ausgangsleistung dieser Modulkette besteht aus Strom (I) und Spannung (U). Das Verhältnis zwischen Strom und Spannung ist nicht linear, sondern folgt einer Kurve.

Die Prüfung der I-U-Kurve mit Füllfaktor und MPP

Eines der wichtigsten Elemente, die innerhalb der Kategorie 2 der Norm IEC/EN 62446-1 zu berücksichtigen sind, ist die Prüfung der I-U-Kurve. Neben VOC und ISC muss der Betreiber auch die Spannung, die Leistungskennlinie, den Füllfaktor (FF) sowie den Strom und die Leistung am maximalen Leistungspunkt (MPP) prüfen.

Bild 2: Der multifunktionale PV-Leistungsanalysator hat eine Aufzeichnungsfunktion für I-U-Kennlinien.
Bild 2: Der multifunktionale PV-Leistungsanalysator hat eine Aufzeichnungsfunktion für I-U-Kennlinien. (Bild: Fluke)

Der MPP ist der Punkt, an dem ein Solarmodul die höchste Leistung erzeugen kann. Er ist auch im Knie der I-U-Kurve zu finden und ist das Produkt des Stroms am Maximalpunkt und der Spannung am Maximalpunkt. Um die Leistung zu maximieren, ist es wichtig, die Solarmodule in Übereinstimmung mit dem MPP zu installieren.

Der MPP ist ebenfalls eine vom Hersteller angegebene Spezifikation und wird von der Stärke der Sonneneinstrahlung beeinflusst. Um die Leistung der Solarmodule auf dem MPP zu halten, kompensiert der Wechselrichter dies kontinuierlich. Dieses „MPP-Tracking“ ist eine gängige Funktion des Solarwechselrichters.

Sichtprüfung von Kabeln ist wichtig

Auch eine Sichtprüfung ist wichtig. Dabei handelt es sich nicht um eine Messung, sondern lediglich um eine Überprüfung, ob die Kabel richtig verlegt oder ausreichend dick sind, um die geforderte Leistung zu erbringen, ob die Module richtig montiert sind und ob der Wechselrichter richtig dimensioniert ist. Diese Tätigkeit der Kategorie 1 wird oft übersehen – aber es ist unbedingt erforderlich, dass der Prüfer das ganze System betrachtet, um zu gewährleisten, dass es ordnungsgemäß funktioniert. Zu sehen, wie etwas installiert ist, ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Inspektion.

Fehlersuche an den Solarmodulen

Die Prüfung der I-U-Kurve umfasst auch die Fehlersuche an den Solarmodulen/-anlagen und den Vergleich der PV-Kette mit den Datenblattwerten. Während jedes einzelne Solarmodul innerhalb der festgelegten Parameter abweichen darf, lässt sich mithilfe eines Solar-Multifunktionstesters wie dem SMFT-1000 von Fluke feststellen, ob das Modul korrekt montiert ist und innerhalb der Herstellerspezifikationen wie erwartet funktioniert.

Bild 3: Solar-Multifunktionstester-Kit SMFT-1000.
Bild 3: Solar-Multifunktionstester-Kit SMFT-1000. (Bild: Fluke)

Dies stellt eine Herausforderung dar, denn es gibt aktuell mehr als 100.000 verschiedene Arten von Solarmodulen am Markt, und jede Art hat ihre eigenen Spezifikationen, die erfüllt werden müssen. Deshalb ist die Prüfung der I-U-Kurve so wichtig.

Bild 4: Mit dem Solar-Multifunktionstester SMFT-1000 lässt sich feststellen, ob das Solarmodul korrekt montiert ist und innerhalb der Herstellerspezifikationen wie erwartet funktioniert.
Bild 4: Mit dem Solar-Multifunktionstester SMFT-1000 lässt sich feststellen, ob das Solarmodul korrekt montiert ist und innerhalb der Herstellerspezifikationen wie erwartet funktioniert. (Bild: Fluke)

Ursachen von Abweichungen der gemessenen Kurve

Weicht die gemessene Kurve von ihrer erwarteten Form ab, ist dies ein Hinweis darauf, dass mit der PV-Kette etwas nicht stimmt. Treten beispielsweise Stufen oder Einbrüche in der Kurve auf (Bild 1 b, gestrichelte Linie), sind möglicherweise einige Module des Strings beschädigt oder verdeckt.

Beginnt der Strom bei einem niedrigeren Wert, können die Module beschädigt sein, das Modul arbeitet außerhalb der eingestellten Parameter, Anschlüsse sind fehlerhaft oder es liegt ein Herstellungsfehler vor. Mit der vor Ort verfügbaren I-U-Kurve und den von den Messgeräten in Echtzeit generierten Daten kann der Prüfer dies korrigieren und die Messung erneut durchführen.

Leistungsfähigkeit von Solarmodulen über die Zeit

Die I-U-Kennlinie dient auch dazu, die Leistungsfähigkeit von Solarmodulen über die Zeit zu ermitteln (wobei auf eine Verschlechterung zu schließen ist, wenn sich der Knick der I-U-Kennlinie verschärft). Dies ist besonders wichtig bei großen Solarstromanlagen, bei denen die Leistung durch Degradation abnehmen kann. Solche I-U-Tests müssen regelmäßig (etwa ein- oder zweimal pro Jahr) erfolgen, damit die Eigentümer der Anlage diese Meßwerte mit der anfänglichen I-U-Kurve vergleichen können, um die Leistungsfähigkeit der Solarmodule im Laufe der Zeit vorherzusagen. Jeder Eigentümer einer Solaranlage muss wissen, wie lange er noch mit seinen bestehenden Modulen arbeiten kann und wann er sie ersetzen muss.

Wärmebildtechnik

Ein weiterer möglicher Test ist die Infrarot-Inspektion mittels Wärmebildtechnik. Dabei handelt es sich um eine weitere Messung der Kategorie 2, bei der ein Prüfer die Wärmeverteilung über einem Solarmodul überprüft.

Da jedes Modul aus einer Reihe verschiedener Zellen besteht, in denen der photovoltaische Effekt stattfindet, kann eine Fehlfunktion einer oder mehrerer Zellen den Wirkungsgrad des gesamten Moduls beeinträchtigen. Anstatt Energie zu erzeugen, leiten die Zellen die von allen Zellen innerhalb eines Moduls erzeugte Energie ab und verhindern so, dass Energie aus dem Modul in den Rest des Systems fließt.

In der Praxis führt die Energieableitung dazu, dass eine Zelle heißer wird. Das heißt, die Temperaturverteilung auf der Oberfläche ändert sich. Mit Hilfe der Wärmebildtechnik können Prüfer feststellen, wo sich einzelne Zellen aufgrund eines fehlerhaften Betriebs erhitzen. Anomalien in der I-U-Kurve (wie Stufen, Einbrüche oder unregelmäßige Kurven) sind die ersten Anzeichen dafür, dass ein solches Problem vorliegen könnte.

Bei privaten oder kommerziellen Solaranlagen lassen sich solche Probleme mit einer tragbaren Wärmebildkamera leicht erkennen. Bei einer groß angelegten Anlage ist es jedoch möglich, eine fest montierte Wärmebildkamera (z. B. die Infrarotkamera RSE 600 von Fluke) zu verwenden, die an einer Drohne befestigt ist, um Hotspots zu erkennen.

Bild 4: Die Infrarotkamera RSE 600 kann feststellen, wo sich Solarzellen aufgrund eines fehlerhaften Betriebs erhitzen.
Bild 4: Die Infrarotkamera RSE 600 kann feststellen, wo sich Solarzellen aufgrund eines fehlerhaften Betriebs erhitzen. (Bild: Fluke)

Sind die Module in einem Solarpark in Serie verschaltet, werden die Tests nicht an einzelnen Modulen, sondern an der gesamten Kette durchgeführt. Ist das Verhalten eines Moduls fehlerhaft, wirkt sich dies auf den Betrieb der gesamten Modulanordnung aus, der sich anhand einer I-U-Kurve überprüfen lässt. Wird ein Problem festgestellt, muss der Bediener jedes einzelne Modul überprüfen, um den Fehler zu lokalisieren. Idealerweise sollte die Wärmebildprüfung von der Rückseite der Solarmodule aus durchgeführt werden, um die Auswirkungen des Sonnenlichts zu vermeiden, was jedoch nicht immer möglich ist.

Umgebungseinflüsse

Ein wesentlicher Punkt, den Prüfer berücksichtigen müssen, sind die Umgebungsbedingungen, unter denen die Messungen durchgeführt werden. Vereinfacht ausgedrückt ist die Leistung eines Solarmoduls höher, wenn die Sonne hell scheint, und niedriger, wenn sie nicht scheint, so dass sich die Bestrahlungsstärke beim Erstellen einer I-U-Kurve direkt auf alle Messwerte und Berechnungen auswirkt. Daher müssen die Testbedingungen für die Messung immer auf die Standardtestbedingungen (STC) umgerechnet werden, die einer Beleuchtungsstärke von 1000 W Sonnenenergie pro Quadratmeter (1000 W/m2) und einer Modultemperatur von 25 °C entsprechen, denn auch alle Angaben in den Datenblättern beziehen sich auf diese Standardtestbedingung. Aktuelle Messgeräte können diese Korrekturen automatisch vornehmen.

Fazit

Effizienz und Sicherheit sind grundlegend für den Betrieb von Solaranlagen. Vor der Inbetriebnahme sind umfassende Sicherheits- und Funktionstests entscheidend, um Risiken zu minimieren und die Leistung zu maximieren. Sicherheit hat stets Vorrang, wobei die Norm IEC/EN 62446 wichtige Richtlinien vorgibt. Die Überprüfung von Erdungsleitern, Isolationswiderstand und die Einhaltung der korrekten Wechselrichter-Spezifikationen sind dabei zentral. Funktionstests wie die Messung der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms helfen, die Effizienz zu bewerten. Regelmäßige Inspektionen und der Einsatz moderner Technologien wie Wärmebildkameras gewährleisten langfristig einen sicheren und effizienten Betrieb. (bs)

Mark Bakker

Applikationsingenieur bei Fluke

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