Ein PV-String besitzt laut Datenblatt eine Leerlaufspannung von ungefähr 850 V. Bei der Prüfung werden 842 V gemessen – zunächst sieht alles plausibel aus. Trotzdem liefert der String deutlich weniger Leistung als benachbarte Strings derselben Anlage.
Eine reine Spannungsmessung hilft bei dieser Fehlersuche nur begrenzt weiter.
Auch der Kurzschlussstrom allein zeigt nicht jede Abweichung.
Deutlich mehr Informationen liefert die vollständige:
I-U-Kennlinie
beziehungsweise:
I-V curve
des PV-Moduls oder Strings.
Sie zeigt, wie sich der erzeugte Strom über den gesamten Spannungsbereich vom Kurzschluss bis zum Leerlauf verhält. Dadurch werden Fehler sichtbar, die bei einer einzelnen Spannungs-, Strom- oder Leistungsmessung verborgen bleiben können.
Typische Beispiele sind:
- Teilverschattung,
- ungleichmäßige Verschmutzung,
- Mismatch zwischen Modulen oder Zellgruppen,
- aktivierte oder beschädigte Bypassdioden,
- erhöhter Serienwiderstand,
- geschädigte Zellen,
- unterschiedliche Einstrahlung innerhalb eines Strings,
- degradierte Module.
Die Form der Kennlinie allein reicht jedoch nicht für jede eindeutige Diagnose. Einstrahlung, Modultemperatur, Messaufbau und hinterlegte Moduldaten beeinflussen das Ergebnis ebenfalls.
Eine zuverlässige PV-Kennlinienmessung besteht deshalb immer aus zwei Schritten: Zuerst müssen die tatsächlichen Messbedingungen korrekt erfasst werden. Anschließend wird beurteilt, ob Form und charakteristische Kennwerte der gemessenen I-U-Kurve zum erwarteten Modul- beziehungsweise Stringverhalten passen.
Was zeigt die I-U-Kennlinie eines PV-Moduls?
Ein Photovoltaikmodul liefert keinen konstanten Strom bei einer konstanten Spannung.
Sein Arbeitspunkt hängt von der angeschlossenen elektrischen Last sowie von:
- Einstrahlung,
- Zelltemperatur,
- Modulzustand,
- Verschattung,
- Verschmutzung
ab.
Die I-U-Kennlinie stellt deshalb den Zusammenhang zwischen:
Strom I
und:
Spannung U
über den gesamten möglichen Arbeitsbereich dar.
Auf der einen Seite befindet sich der Zustand:
U = 0 V
mit dem Kurzschlussstrom:
I = ISC
.
Auf der anderen Seite befindet sich:
I = 0 A
mit der Leerlaufspannung:
U = VOC
.
Dazwischen liegt der für die Energieerzeugung entscheidende Arbeitspunkt:
Maximum Power Point
kurz:
MPP
.
Die elektrische Leistung ergibt sich aus:
P = U × I
.
Der Punkt, an dem dieses Produkt maximal ist, besitzt:
VMPP
und:
IMPP
.
Voc, Isc, MPP und Füllfaktor richtig verstehen
Aus einer Kennlinienmessung lassen sich mehrere wichtige Größen bestimmen.
| Kennwert | Bedeutung | Typische Aussage |
|---|---|---|
| VOC | Leerlaufspannung | Spannung des Moduls beziehungsweise Strings ohne Last |
| ISC | Kurzschlussstrom | maximaler Strom bei nahezu 0 V |
| VMPP | MPP-Spannung | Spannung am Punkt maximaler Leistung |
| IMPP | MPP-Strom | Strom am Punkt maximaler Leistung |
| PMPP | maximale Leistung | Produkt aus VMPP und IMPP |
| FF | Füllfaktor | Maß für die Form beziehungsweise „Rechteckigkeit“ der Kennlinie |
Der Füllfaktor lässt sich vereinfacht berechnen als:
FF = PMPP / (VOC × ISC)
.
Ein Modul kann deshalb eine nahezu normale Leerlaufspannung und einen plausiblen Kurzschlussstrom besitzen und trotzdem eine reduzierte maximale Leistung aufweisen.
Die Ursache ist dann in der Form der Kennlinie beziehungsweise im Bereich um den MPP zu suchen.
Warum Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom allein nicht ausreichen
Eine Messung von:
VOC
und:
ISC
prüft lediglich zwei Punkte der vollständigen Kennlinie.
Viele relevante Fehler liegen jedoch dazwischen.
Ein String kann beispielsweise bei Leerlauf eine plausible Spannung erzeugen. Unter Last aktiviert eine schwächere Zellgruppe jedoch ihre Bypassdiode.
Die Folge kann eine deutliche Stufe innerhalb der Kennlinie sein.
Auch ein erhöhter Übergangs- beziehungsweise Serienwiderstand kann sich vor allem im Bereich des Kennlinienknicks bemerkbar machen.
Voc und Isc können dabei vergleichsweise unauffällig bleiben, während die tatsächlich nutzbare Peakleistung bereits reduziert ist.
Die Kennlinienmessung untersucht deshalb nicht nur die beiden Endpunkte, sondern das elektrische Verhalten des PV-Generators über seinen vollständigen Arbeitsbereich.
Wie die Einstrahlung die Kennlinie verändert
Der vom PV-Modul erzeugte Strom hängt stark von der auftreffenden solaren Einstrahlung ab.
Sinkt die Einstrahlung, reduziert sich insbesondere der:
Kurzschlussstrom ISC
und damit auch der verfügbare Betriebsstrom.
Die Leerlaufspannung verändert sich ebenfalls, jedoch deutlich weniger stark als der Strom.
Beispiel
Eine Kennlinie, die bei:
950 W/m²
gemessen wurde, kann nicht direkt mit einer Kennlinie verglichen werden, die bei:
600 W/m²
aufgenommen wurde.
Selbst ein vollkommen intaktes Modul würde unterschiedliche Ströme und Leistungen zeigen.
Deshalb gehört die Einstrahlungsmessung unmittelbar zur Kennlinienmessung.
Wie die Modultemperatur die Kennlinie beeinflusst
Auch die Zell- beziehungsweise Modultemperatur verändert das elektrische Verhalten.
Mit zunehmender Temperatur sinkt bei typischen kristallinen Siliziummodulen insbesondere die Spannung.
Dadurch reduzieren sich unter anderem:
- VOC,
- VMPP,
- in der Regel auch die maximal verfügbare Leistung.
Der Strom verändert sich mit der Temperatur deutlich weniger und kann bei kristallinen Siliziumzellen leicht ansteigen.
Ein heißes Modul auf einem Dach kann deshalb eine deutlich niedrigere Spannung liefern als die auf dem Typenschild angegebene STC-Spannung, ohne dass ein Defekt vorliegt.
Für eine belastbare Aussage muss die Modultemperatur deshalb zusammen mit der Kennlinie erfasst werden.
Warum auf Standard-Testbedingungen umgerechnet wird
Die Leistungsdaten eines PV-Moduls werden normalerweise für definierte Referenzbedingungen angegeben.
Dazu gehören die:
Standard Test Conditions
kurz:
STC
.
Zu den wesentlichen Referenzgrößen gehören:
- 1.000 W/m² Einstrahlung,
- 25 °C Zelltemperatur.
Im Feld liegen diese Bedingungen nur selten exakt vor.
Eine professionelle Kennlinienmessung erfasst deshalb:
- aktuelle I-U-Kurve,
- Einstrahlung,
- Modultemperatur
und kann die Messwerte anhand geeigneter Modulparameter auf Referenzbedingungen umrechnen.
Die hierfür verwendeten Verfahren sind unter anderem in IEC 60891 beschrieben.
Dadurch kann beispielsweise eine bei 43 °C Modultemperatur gemessene Kurve sinnvoller mit den Herstellerdaten verglichen werden.
Ohne Temperatur- und Einstrahlungskorrektur kann ein vollkommen intaktes Modul fälschlicherweise als leistungsschwach bewertet werden.
Verschattung in der I-U-Kennlinie erkennen
Teilverschattung gehört zu den charakteristischsten Ursachen für verformte I-U-Kennlinien.
Wird nur ein Teil eines Moduls oder Strings schwächer beleuchtet, können die betroffenen Zellen weniger Strom erzeugen.
Da die Zellen innerhalb eines Zellstrings elektrisch in Reihe geschaltet sind, entsteht ein Strom-Mismatch.
Die betroffene Zellgruppe kann den Strom der stärker beleuchteten Zellgruppen nicht mehr vollständig übertragen.
Je nach Ausprägung werden die Bypassdioden des Moduls aktiv.
Typisches Kennlinienbild:
- Stufen,
- Kerben,
- abrupte Änderungen der Steigung,
- mehrere mögliche Leistungsmaxima.
Die genaue Form hängt davon ab:
- welche Zellen verschattet sind,
- wie viele Zellgruppen betroffen sind,
- wie stark die Einstrahlung reduziert ist,
- wie die Bypassdioden im Modul verschaltet sind.
Eine einzelne kleine Schattenkante kann deshalb einen deutlich größeren Einfluss auf die elektrische Leistung haben, als die optisch verschattete Fläche zunächst vermuten lässt.
Was Bypassdioden mit den Stufen der Kennlinie zu tun haben
Bypassdioden schützen Zellgruppen vor übermäßiger Rückwärtsbelastung und begrenzen die Auswirkungen schwacher Zellgruppen auf den gesamten Modulstrom.
Wird eine Zellgruppe stark verschattet, kann ihre Bypassdiode leitend werden.
Der Strom fließt dann um den betroffenen Teil des Moduls herum.
Elektrisch bedeutet dies:
ein Teil der Modulspannung geht verloren
aber:
der Stringstrom kann weiterfließen
.
In der I-U-Kurve erscheint dieser Übergang häufig als Stufe oder Kerbe.
Eine solche Form ist deshalb ein Hinweis darauf, dass innerhalb des Moduls beziehungsweise Strings unterschiedliche Strombedingungen bestehen.
Die Ursache muss anschließend bestimmt werden.
Mögliche Ursachen sind:
- Teilverschattung,
- lokale Verschmutzung,
- beschädigte Zellen,
- elektrische Unterbrechungen innerhalb einer Zellgruppe,
- Fehler an einer Bypassdiode.
Eine Stufe der I-U-Kurve bedeutet daher nicht automatisch „Bypassdiode defekt“. Sie zeigt zunächst, dass ein Mismatch beziehungsweise ein Bypassvorgang vorliegt. Für die konkrete Fehlerursache sind weitere Prüfungen erforderlich.
Mismatch zwischen Modulen und Zellgruppen erkennen
Module eines Strings sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Damit fließt durch alle Module derselbe Strom.
Besitzt eines der Module eine geringere Stromfähigkeit, beeinflusst es deshalb den gesamten String.
Ein solcher Mismatch kann entstehen durch:
- unterschiedliche Modultypen,
- unterschiedliche Leistungsklassen,
- Alterung,
- lokale Verschmutzung,
- unterschiedliche Ausrichtung,
- Verschattung,
- Zellschäden,
- unterschiedliche Temperatur.
Bei parallel geschalteten Strings können außerdem Stromunterschiede zwischen den einzelnen Strings sichtbar werden.
Für die Fehlersuche ist deshalb ein Vergleich zwischen:
String 1
String 2
String 3
…
unter möglichst identischen Umgebungsbedingungen besonders aussagekräftig.
Weicht nur ein String deutlich von mehreren baugleichen Nachbarstrings ab, lässt sich die Fehlerstelle erheblich schneller eingrenzen.
Gleichmäßige und ungleichmäßige Verschmutzung unterscheiden
Verschmutzung kann die Kennlinie auf unterschiedliche Weise beeinflussen.
Gleichmäßige Verschmutzung
Eine relativ gleichmäßige Verschmutzung reduziert vor allem die auf die Zellen treffende Einstrahlung.
Die Folge ist typischerweise ein reduzierter Strom beziehungsweise ein reduziertes Leistungsniveau.
Das Verhalten kann einer insgesamt niedrigeren Einstrahlung ähneln.
Lokale Verschmutzung
Lokale Verschmutzung kann dagegen einzelne Zellen oder Zellgruppen deutlich stärker beeinflussen.
Typische Beispiele sind:
- Vogelkot,
- Laub,
- Schneereste,
- lokale Ablagerungen,
- Schmutzränder.
Dadurch entsteht ein Mismatch innerhalb des Moduls.
Die Kennlinie kann dann Stufen beziehungsweise Kerben zeigen, ähnlich wie bei einer Teilverschattung.
Eine Wiederholungsmessung nach der Reinigung kann deshalb sehr schnell zeigen, ob der Fehler tatsächlich durch Verschmutzung verursacht wurde.
Erhöhten Serienwiderstand erkennen
Ein PV-Modul und sein Anschlussnetz besitzen einen elektrischen Serienwiderstand.
Dazu tragen unter anderem bei:
- Zellverbinder,
- Busbars,
- Kabel,
- Steckverbinder,
- Klemmen,
- Kontaktstellen.
Erhöht sich dieser Widerstand, entstehen unter Last zusätzliche Spannungsverluste.
Mögliche Ursachen sind:
- korrodierte Kontakte,
- schlecht montierte Steckverbinder,
- beschädigte Zellverbinder,
- erhöhte Übergangswiderstände,
- Alterungs- oder Zellschäden.
In der Kennlinie zeigt sich ein erhöhter Serienwiderstand typischerweise als ungünstige Veränderung beziehungsweise Abrundung im Bereich zwischen MPP und Leerlaufspannung.
Die maximal verfügbare Leistung sinkt.
Eine reine Voc-Messung kann dabei trotzdem weitgehend plausibel erscheinen, weil im Leerlauf praktisch kein Laststrom fließt.
Auffälligkeiten im Kurzschlussbereich bewerten
Auch der Verlauf der Kennlinie in der Nähe des Kurzschlussstroms enthält Informationen.
Eine ungewöhnliche Steigung kann auf zusätzliche interne Strompfade beziehungsweise einen reduzierten Parallel- oder Shuntwiderstand hinweisen.
Mögliche Ursachen sind beispielsweise:
- Zellschäden,
- Feuchtigkeitseintritt,
- interne Leckpfade,
- lokale Defekte.
Auch Messbedingungen und ungleichmäßige Einstrahlung können die Kurvenform beeinflussen.
Deshalb sollte die Kennlinienform nie ohne Kontrolle der Umgebungsbedingungen und der Geräteeinstellungen diagnostiziert werden.
Zu niedrige Leerlaufspannung systematisch eingrenzen
Ist VOC deutlich kleiner als erwartet, kommen mehrere Ursachen infrage.
Zu prüfen sind unter anderem:
- Ist die tatsächlich angeschlossene Modulanzahl korrekt?
- Wurde der richtige Modultyp im Messgerät ausgewählt?
- Ist die Modultemperatur deutlich höher als bei den Referenzdaten?
- Ist eine Bypassdiode kurzgeschlossen beziehungsweise dauerhaft leitend?
- Ist ein Modul oder Teil eines Strings elektrisch überbrückt?
- Sind Verbindungen beziehungsweise Module unterbrochen oder falsch verschaltet?
Bei einem String addieren sich die Modulspannungen.
Eine deutlich fehlende Spannungsstufe kann deshalb ein Hinweis darauf sein, dass ein Modul oder eine Zellgruppe nicht wie erwartet zur Gesamtspannung beiträgt.
Die konkrete Ursache sollte anschließend am betroffenen Abschnitt weiter untersucht werden.
Zu niedrigen Kurzschlussstrom systematisch eingrenzen
Ein niedriger Kurzschlussstrom bedeutet nicht automatisch, dass das Modul beschädigt ist.
Zuerst müssen die optischen und messtechnischen Bedingungen geprüft werden.
Mögliche Ursachen sind:
- zu geringe Einstrahlung,
- gleichmäßige Verschmutzung,
- Verschattung,
- falsch positionierter Einstrahlungssensor,
- schnell wechselnde Bewölkung,
- falsch hinterlegte Modul- oder Stringdaten,
- Degradation beziehungsweise tatsächlicher Modulfehler.
Gerade bei wechselnder Bewölkung kann sich die Einstrahlung innerhalb weniger Sekunden deutlich verändern.
Wird die Einstrahlung nicht zeitlich passend zur Kennlinie erfasst, entsteht ein fehlerhafter Soll-Ist-Vergleich.
Soll- und Ist-Kennlinie richtig vergleichen
Eine gemessene I-U-Kurve wird besonders aussagekräftig, wenn sie mit einer erwarteten Kurve verglichen werden kann.
Dafür müssen die korrekten Moduldaten hinterlegt sein.
Dazu gehören je nach Messsystem unter anderem:
- Modulhersteller,
- Modultyp,
- Nennleistung,
- VOC,
- ISC,
- VMPP,
- IMPP,
- Temperaturkoeffizienten,
- Anzahl der Module im String,
- Anzahl paralleler Strings.
Ein Eingabefehler kann eine vermeintliche Abweichung erzeugen, obwohl die PV-Anlage technisch einwandfrei arbeitet.
Vor einer Fehlerdiagnose sollten deshalb zunächst:
Messdaten
und:
Konfigurationsdaten
geprüft werden.
Einstrahlungs- und Temperatursensor richtig positionieren
Die Qualität einer STC-Auswertung hängt unmittelbar von den erfassten Umgebungsdaten ab.
Der Einstrahlungssensor sollte die Einstrahlung möglichst so erfassen, wie sie auch auf das zu prüfende PV-Feld trifft.
Wichtig sind insbesondere:
- gleiche Ausrichtung,
- gleicher Neigungswinkel,
- keine lokale Verschattung des Sensors,
- saubere Sensorfläche,
- geeignete Referenzzelle beziehungsweise geeigneter Pyranometer.
Wird der Einstrahlungssensor beispielsweise horizontal auf dem Dach abgelegt, während die Module mit 35° Neigung montiert sind, kann der gemessene Einstrahlungswert deutlich vom tatsächlich wirksamen Wert auf Modulebene abweichen.
Auch der Temperaturfühler muss thermisch sinnvoll am zu untersuchenden Modul angebracht werden.
Eine Messung der Umgebungslufttemperatur ersetzt nicht automatisch die Modultemperatur.
Modul oder kompletten String messen?
Beide Messungen haben unterschiedliche Vorteile.
Stringmessung
Eine komplette Stringkennlinie eignet sich gut für:
- schnellen Vergleich mehrerer Strings,
- Inbetriebnahme,
- regelmäßige Wiederholungsprüfung,
- grobe Eingrenzung von Leistungsabweichungen.
Wird bei mehreren identischen Strings nur eine auffällige Kennlinie festgestellt, kann gezielt in diesem String weitergesucht werden.
Modulmessung
Die Einzelmodulmessung ermöglicht anschließend eine wesentlich genauere Lokalisierung.
Sie ist sinnvoll, wenn:
- ein bestimmter String auffällig ist,
- Thermografie einen verdächtigen Modulbereich zeigt,
- Bypassdioden oder Zellgruppen überprüft werden sollen,
- ein Modul nach Beschädigung oder Austausch bewertet werden soll.
Ein effizienter Prüfablauf besteht deshalb häufig aus:
Stringvergleich → auffälligen String bestimmen → Module gezielt prüfen
.
Praxisbeispiel: Ein String liefert deutlich weniger Leistung
Eine PV-Anlage besitzt acht baugleiche Strings.
Alle Strings besitzen:
20 identische Module
mit gleicher Ausrichtung.
Der Wechselrichter zeigt, dass String 6 dauerhaft weniger Leistung erzeugt.
Schritt 1: Sichtprüfung
Es werden keine offensichtlich fehlenden oder abgedeckten Module festgestellt.
Schritt 2: Voc vergleichen
Die Leerlaufspannung von String 6 liegt nur geringfügig unter den Nachbarstrings.
Ein eindeutiger Fehler ist daraus noch nicht abzuleiten.
Schritt 3: Kennlinien messen
Alle Strings werden bei möglichst vergleichbaren Einstrahlungsbedingungen gemessen.
Die Kennlinie von String 6 zeigt eine deutliche Stufe im mittleren Spannungsbereich.
Die anderen Strings zeigen dagegen eine gleichmäßige Kennlinie.
Schritt 4: Verschattung und Verschmutzung prüfen
Bei genauer Kontrolle wird ein lokal stark verschmutzter Modulbereich gefunden.
Nach der Reinigung wird die Kennlinie erneut gemessen.
Schritt 5: Wiederholungsmessung
Die erste Stufe ist kleiner geworden, jedoch weiterhin vorhanden.
Damit ist klar:
Verschmutzung war Teil der Ursache
aber:
nicht die einzige Ursache
.
Schritt 6: Module einzeln untersuchen
Die Kennlinien beziehungsweise ergänzende Prüfungen werden auf einzelne Module eingegrenzt.
Ein Modul zeigt weiterhin eine charakteristische Abweichung eines Teilstrings.
Schritt 7: Thermografie und elektrische Prüfung
Die zusätzliche Prüfung zeigt eine auffällige Zellgruppe beziehungsweise Anschlussdose.
Das betroffene Modul wird anschließend nach Herstellervorgabe weiter untersucht beziehungsweise ausgetauscht.
Das Beispiel zeigt den Vorteil der Kennlinienmessung:
Sie sagt zunächst nicht zwingend, welches Bauteil defekt ist, aber sie zeigt sehr deutlich, dass das elektrische Verhalten des Strings nicht dem erwarteten Zustand entspricht und in welchem Bereich der Kennlinie die Abweichung liegt.
Kennlinienmessung mit Thermografie kombinieren
Die I-U-Kennlinie zeigt das elektrische Verhalten.
Eine Wärmebildkamera zeigt dagegen lokale thermische Auffälligkeiten.
Beide Verfahren ergänzen sich deshalb sehr gut.
Die Kennlinienmessung kann beispielsweise zeigen:
- Mismatch,
- reduzierte Leistung,
- Stufen durch aktive Bypasspfade,
- ungewöhnliche Widerstandseffekte.
Die Thermografie kann anschließend Hinweise liefern auf:
- Hotspots,
- auffällige Zellgruppen,
- erwärmte Steckverbinder,
- auffällige Anschlussdosen,
- lokale elektrische Verluste.
Eine auffällige I-U-Kurve und eine thermisch auffällige Stelle am selben Modul liefern zusammen wesentlich mehr Diagnoseinformation als eine einzelne Messmethode.
Sicher an PV-Strings messen
PV-Generatoren erzeugen bei Einstrahlung Gleichspannung, auch wenn der Wechselrichter abgeschaltet ist.
Bei großen Anlagen können Stringspannungen bis in den Bereich von:
1.000 V DC
oder:
1.500 V DC
reichen.
Die Kennlinienmessung darf deshalb nur von entsprechend qualifiziertem Personal und mit einem für Spannung, Strom und Anlagenkategorie geeigneten Messgerät durchgeführt werden.
Zu beachten sind unter anderem:
- Herstellervorgaben des PV-Messgeräts,
- zulässige DC-Spannung und zulässiger DC-Strom,
- korrekt bewertete Messleitungen und Steckverbinder,
- vorgesehene Freischalt- beziehungsweise Trennverfahren,
- Schutz gegen unbeabsichtigtes Wiedereinschalten,
- Gefährdung durch DC-Lichtbögen.
PV-Steckverbinder dürfen nicht einfach unter Last getrennt werden, sofern dies nicht ausdrücklich für den betreffenden Aufbau vorgesehen und freigegeben ist.
Die Anschlussreihenfolge des verwendeten Kennlinienmessgeräts ist entsprechend der Geräteanleitung einzuhalten.
Systematischer Prüfablauf
- Schaltplan, Stringaufbau und Moduldaten prüfen.
- Sicherstellen, dass das Kennlinienmessgerät für maximale Spannung und maximalen Strom des Strings geeignet ist.
- PV-String entsprechend dem vorgesehenen Verfahren vom Wechselrichter beziehungsweise Betriebssystem trennen.
- Modultyp und Anzahl der Module korrekt im Messgerät hinterlegen.
- Einstrahlungssensor in Modulebene positionieren.
- Temperaturfühler korrekt am Modul anbringen.
- Aktuelle Verschattung und sichtbare Verschmutzung dokumentieren.
- I-U-Kennlinie aufnehmen.
- Voc, Isc, Vmpp, Impp, Pmax und gegebenenfalls Füllfaktor prüfen.
- Gemessene Kennlinie mit der erwarteten beziehungsweise auf Referenzbedingungen korrigierten Kurve vergleichen.
- Auf Stufen, Kerben und veränderte Steigungen achten.
- Vergleich mit baugleichen Nachbarstrings durchführen.
- Bei Auffälligkeiten Verschattung und Verschmutzung zuerst ausschließen.
- Verdächtigen String anschließend auf einzelne Module eingrenzen.
- Bei Bedarf Thermografie, Sichtprüfung und weitere elektrische Prüfungen ergänzen.
- Messbedingungen und Kennlinien für spätere Wiederholungsprüfungen speichern.
Häufige Fehler bei der Kennlinienmessung
- Nur Voc messen: Fehler im Bereich des MPP bleiben verborgen.
- Nur Isc messen: Veränderungen der Kennlinienform werden nicht erkannt.
- Einstrahlung nicht erfassen: Ein niedriger Strom wird fälschlicherweise als Modulfehler interpretiert.
- Nur Umgebungstemperatur verwenden: Die tatsächliche Modultemperatur kann erheblich höher liegen.
- Falschen Modultyp auswählen: Die Sollkennlinie passt nicht zum geprüften Generator.
- Falsche Modulanzahl eingeben: Erwartete Spannung und Leistung werden fehlerhaft berechnet.
- Einstrahlungssensor falsch ausrichten: Die erfasste Einstrahlung entspricht nicht der Modulebene.
- Bei schnell wechselnder Bewölkung messen: Einstrahlung und elektrische Kennlinie können unterschiedlichen Bedingungen entsprechen.
- Jede Stufe als defekte Bypassdiode interpretieren: Auch Verschattung, Verschmutzung oder Zellschäden können einen Bypassvorgang auslösen.
- Verschattung während der Messung übersehen: Auch kleine Schatten von Geländern, Antennen oder dem Prüfer selbst können das Ergebnis beeinflussen.
- Nur die Peakleistung betrachten: Die Form der Kurve enthält zusätzliche Diagnoseinformationen.
- Strings unter unterschiedlichen Bedingungen direkt vergleichen: Unterschiedliche Einstrahlung und Temperatur verfälschen den Vergleich.
- PV-Stecker unter Last trennen: Dadurch kann ein gefährlicher Gleichstromlichtbogen entstehen.
Passende PV-Kennlinienmessgeräte
Für die professionelle Kennlinienmessung an aktuellen PV-Modulen und Strings bietet sich beispielsweise das I-V600 an.
Das Gerät ermöglicht unter anderem:
- I-U-Kennlinienmessungen an PV-Modulen und Strings,
- Messungen bis 1.500 V DC und 40 A DC,
- Bestimmung von Leerlaufspannung VOC und Kurzschlussstrom ISC,
- Bestimmung der charakteristischen Leistungswerte,
- Messungen an mono- und bifazialen PV-Modulen,
- Auswertung anhand einer umfangreichen PV-Moduldatenbank,
- Temperatur- und Einstrahlungserfassung mit dem Datenlogger SOLAR-03,
- grafische Darstellung der I-U-Kennlinie direkt am Gerät.
Die Kennlinienmessung erfolgt gemäß den für die Anwendung vorgesehenen Verfahren zur Auswertung beziehungsweise Korrektur von PV-Kennlinien.
Für Anlagen mit geringeren maximalen Spannungen steht beispielsweise zusätzlich das I-V400w zur Verfügung.
Das Gerät ermöglicht I-U-Kennlinienmessungen an einzelnen Modulen und Strings bis 1.000 V DC und stellt unter anderem:
- aktuelle Leistung,
- Peakleistung,
- Kurzschlussstrom,
- Leerlaufspannung,
- grafische I-U-Kennlinie
dar.
Weitere Geräte für Inbetriebnahme, Fehlersuche und Prüfung von Photovoltaikanlagen finden Sie unter Photovoltaik-Geräte / PV-Messgeräte bei ICS Schneider.
Weitere elektrische Prüf- und Messgeräte finden Sie unter Elektrische Mess- und Prüfgeräte.
Fazit
Eine I-U-Kennlinienmessung liefert wesentlich mehr Informationen über den tatsächlichen Zustand eines PV-Moduls oder Strings als die alleinige Messung von Leerlaufspannung oder Kurzschlussstrom.
Verschattung, ungleichmäßige Verschmutzung und Mismatch können charakteristische Stufen beziehungsweise Kerben in der Kurve erzeugen, wenn Bypassdioden aktiv werden.
Auch erhöhte Widerstände, reduzierte Stromerzeugung und andere Modulabweichungen können sich in der Form der Kennlinie zeigen.
Die Kennlinienform darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden.
Einstrahlung und Modultemperatur verändern Strom, Spannung und Leistung ebenfalls erheblich. Deshalb müssen diese Werte möglichst gleichzeitig erfasst und bei einem Vergleich mit Herstellerdaten berücksichtigt werden.
Besonders aussagekräftig ist der Vergleich mehrerer baugleicher Strings unter möglichst gleichen Bedingungen. Ein auffälliger String kann anschließend schrittweise bis auf einzelne Module eingegrenzt werden.
Thermografie, Sichtprüfung und weitere elektrische Prüfungen ergänzen die Kennlinienmessung und helfen dabei, die konkrete Ursache einer festgestellten Abweichung zu bestimmen.
Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht nur: „Erreicht der String seine Leerlaufspannung?“, sondern: „Entspricht sein gesamtes Strom-Spannungs-Verhalten unter den tatsächlich gemessenen Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen dem erwarteten Verhalten?“
FAQ: PV-Kennlinienmessung
Was ist eine I-U-Kennlinie bei einem Solarmodul?
Die I-U-Kennlinie zeigt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung eines PV-Moduls beziehungsweise Strings über den gesamten Arbeitsbereich vom Kurzschlussstrom bis zur Leerlaufspannung. Aus ihr lassen sich unter anderem Isc, Voc und der Maximum Power Point bestimmen.
Warum reicht die Leerlaufspannung zur Prüfung eines PV-Moduls nicht aus?
Die Leerlaufspannung beschreibt nur einen einzigen Betriebspunkt ohne Laststrom. Fehler wie erhöhter Serienwiderstand, Mismatch oder aktivierte Bypasspfade können sich stärker unter Last beziehungsweise innerhalb der Kennlinie auswirken.
Wie sieht Verschattung in einer I-U-Kennlinie aus?
Teilverschattung kann zu Stufen, Kerben oder deutlichen Änderungen der Steigung führen. Ursache ist der Strom-Mismatch zwischen unterschiedlich beleuchteten Zellgruppen und gegebenenfalls die Aktivierung von Bypassdioden.
Bedeutet eine Stufe in der Kennlinie, dass eine Bypassdiode defekt ist?
Nein. Eine Stufe weist zunächst auf Mismatch und eine mögliche Bypassaktivierung hin. Die Ursache kann unter anderem Verschattung, lokale Verschmutzung, ein Zellschaden oder ein Fehler der Bypassdiode sein. Weitere Prüfungen sind für die eindeutige Diagnose erforderlich.
Warum muss bei der Kennlinienmessung die Einstrahlung gemessen werden?
Der Strom eines PV-Moduls hängt stark von der solaren Einstrahlung ab. Ohne den tatsächlichen Einstrahlungswert lässt sich ein niedriger Strom deshalb nicht sicher von einer normalen Reaktion auf geringere Sonneneinstrahlung unterscheiden.
Warum ist die Modultemperatur wichtig?
Die Modulspannung ist temperaturabhängig. Bei steigender Zelltemperatur sinken bei typischen kristallinen Siliziummodulen insbesondere Leerlauf- und MPP-Spannung. Ein heißes Modul kann deshalb trotz einwandfreier Funktion deutlich unter der STC-Spannung liegen.
Was bedeutet STC bei Photovoltaikmodulen?
STC steht für Standard Test Conditions. Dazu gehören unter anderem eine Einstrahlung von 1.000 W/m² und eine Zelltemperatur von 25 °C. Hersteller-Nennwerte werden unter definierten Referenzbedingungen angegeben.
Was ist der MPP?
Der Maximum Power Point ist der Betriebspunkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom und damit die elektrische Ausgangsleistung maximal ist. Er wird durch VMPP und IMPP beschrieben.
Was bedeutet Mismatch bei einem PV-String?
Mismatch bedeutet, dass Module oder Zellgruppen unterschiedliche elektrische Eigenschaften beziehungsweise Betriebsbedingungen besitzen. In einer Reihenschaltung kann ein stromschwächeres Modul die Leistung des gesamten Strings beeinflussen.
Kann Verschmutzung eine ähnliche Kennlinie wie Verschattung erzeugen?
Ja. Gleichmäßige Verschmutzung reduziert häufig vor allem den Strom. Lokale Verschmutzung kann einzelne Zellgruppen unterschiedlich stark beeinflussen und dadurch Stufen oder Kerben ähnlich einer Teilverschattung erzeugen.
Wie erkennt man einen erhöhten Serienwiderstand?
Ein erhöhter Serienwiderstand kann die Kennlinie insbesondere im Bereich des MPP und in Richtung Leerlaufspannung verformen beziehungsweise abrunden. Die nutzbare Leistung sinkt, während die Leerlaufspannung teilweise noch relativ unauffällig sein kann.
Sollte ein kompletter String oder jedes Modul einzeln gemessen werden?
Für eine schnelle Anlagenprüfung ist zunächst der Vergleich kompletter Strings sinnvoll. Wird ein auffälliger String gefunden, kann die Fehlersuche anschließend auf einzelne Module eingegrenzt werden.
Kann eine Kennlinienmessung einen Moduldefekt eindeutig bestimmen?
Sie kann elektrische Abweichungen sehr gut sichtbar machen, liefert aber nicht bei jeder Kennlinienform automatisch eine eindeutige Bauteildiagnose. Sichtprüfung, Thermografie, Bypassdiodenprüfung oder weitere elektrische Messungen können erforderlich sein.