Detektering af defekter i fotovoltaiske moduler og systemer

Konstant stigende elpriser, statslige støtteprogrammer til vedvarende energi og en hurtig energiomstilling gør nettilsluttede solcelleanlæg stadig mere interessante for privatpersoner. Ikke kun for ejere af elbiler, som så at sige kan tanke gratis med deres egen solenergi.

Også håndværkere, virksomheder og industrier udnytter ledige tage og åbne arealer til at producere elektricitet med solens kraft og dermed reducere driftsomkostningerne.

Nettilsluttede invertere med intelligent elektronik og direkte forbindelse til internettet giver altid et præcist overblik over anlæggets ydeevne.

Derfor opdager ansvarlige mennesker straks, hvis udbyttet falder, fordi der er noget galt med systemet. Vi forklarer gerne, hvordan et solcelleanlæg fungerer, og hvad man kan gøre i tilfælde af, at skaden ikke kan udbedres.


Konstruktion og drift af fotovoltaiske systemer

For hurtigt at kunne finde fejlen i solcelleanlægget i tilfælde af en funktionsfejl, er det nødvendigt at vide, hvordan et solcellepanel og et helt solcelleanlæg er opbygget og fungerer.

Solcelle

1) Sollys | 2) Negativ elektrode | 3) N-doteret silicium | 4) Grænselag | 5) P-doteret silicium | 6) Positiv elektrode | 7) Forbruger (glødelampe).

Et solpanel består af et mere eller mindre stort antal fotovoltaiske celler. En solcelle består på sin side af to skivtynde lag af meget rent silicium, som bevidst er blevet doteret med fremmede atomer som bor og fosfor.

Eksperter taler om positiv doping med bor og negativ doping med fosfor.

På grænsefladen mellem de to halvlederlag dannes en såkaldt pn-overgang (boundary layer).

I vores guide til dioden 1N4148 har vi beskrevet den præcise opbygning og funktion af en pn-overgang.

I en solcelle frigør sollys (fotoner) elektroner i grænselaget, hvilket skaber en elektrisk spænding ved overgangspunkterne.


Solcellspaneler

En enkelt solcelle, der måler 156 × 156 mm, er fuldt ud i stand til at producere en betydelig mængde elektricitet under stærkt sollys.

Den elektriske spænding er dog relativt lav. I tilfælde af silicium er terminalspændingen for en enkelt fotovoltaisk celle omkring 0,5 - 0,7 V.". Derfor serieforbindes de enkelte solceller i et modul. Det fungerer på samme måde som lommelygtebatterier, der også serieforbindes for at øge spændingen.

I de solcellemoduler, der er vist her, er 36 celler forbundet i serie til såkaldte substrings. På den måde opnår disse moduler en tomgangsspænding (åbne terminaler) på 24,9 V.

Efter lodningen er cellerne lamineret mellem to folier og dermed optimalt beskyttet mod fugt. En aluminiumsramme med glasplade og en stabil bagfolie med samledåse fuldender konstruktionen af et fotovoltaisk modul.

Populære solpaneler


Fotovoltaiske felter

1) Solcelle | 2) Solpanel | 3) Solstreng

Et solcelleanlæg består af flere sammenkoblede moduler (2). De enkelte moduler er forbundet i serie og danner såkaldte strings (3).

Antallet af seriekoblede moduler afhænger af den tilgængelige plads og dermed af det mulige antal moduler.

Det er vigtigt, at den samlede spænding (tomgangsspænding) for alle seriekoblede moduler ikke overstiger inverterens indgangsspænding.

For at opnå den ønskede effekt parallelforbindes flere strenge i en PV-gruppe. Antallet af moduler pr. streng skal være identisk.


Invertere og energileverandører

Da solpaneler (1) som udgangspunkt producerer en jævnspænding, skal den omdannes til en vekselspænding ved hjælp af en inverter (2). Kun på denne måde er det muligt at levere den til det offentlige net eller bruge den internt (5) via en tovejsmåler (3).

Invertere har ofte en tilslutningsmulighed til et energilagringssystem (4) eller Battery Energy Storage System (BESS). Energilagringssystemet er et stort batteri, der oplades med jævnstrøm og derefter frigiver jævnstrøm igen.

Hvis solsystemet ikke leverer nok elektrisk energi på dage med dårligt vejr eller ingen elektrisk energi i mørke, fungerer batteriet som en energikilde for forbrugerne, før elektriciteten tages fra nettet.


Overvågning af et solsystem

At bygge eller købe et solcelleanlæg kræver en investering. Uanset om anlægget er købt eller leaset. Derfor siger det sig selv, at man altid vil holde øje med anlæggets funktionalitet.

I det simpleste og billigste tilfælde gøres det ved at aflæse elmålere. Måleraflæsningerne kan noteres med jævne mellemrum og derefter sammenlignes.

Alternativt er invertere med indbyggede funktionsdisplays ideelle til at få et hurtigt overblik over solpanelernes aktuelle ydeevne. Især hvis der f.eks. vises søjlediagrammer med tidsakser.

I den mest kundevenlige version bruges dataloggere til at gemme de forskellige karakteristiske værdier for systemet. Disse data kan derefter nemt hentes når som helst og hvor som helst ved hjælp af en smartphone.

Uanset hvilken type overvågning der anvendes, indsamles der meget hurtigt meningsfulde empiriske værdier om systemets ydeevne i bestemte vejrsituationer.

På den måde opdager man også meget hurtigt, hvis solsystemets ydeevne pludselig falder markant, eller hvis den sædvanlige høje ydeevne ikke længere opnås.

Vores praktiske tip: Tag hensyn til nedbrydning, når du vurderer ydeevnen

Solpaneler udsættes for ubeskyttede vejr- og miljøpåvirkninger hele året rundt. Ud over de mekaniske belastninger fra regn, sne og hagl skal panelerne også modstå høje temperaturer, frost og en ikke ubetydelig mængde UV-stråling. Samlet set betyder det, at solcellemoduler er udsat for naturlig ældning eller nedbrydning af ydeevnen (degradering). Krystallinske solpaneler mister omkring 10-15% af deres effekt langsomt, men kontinuerligt over en periode på 20 til 25 år.


Almindelige fejl med solpaneler

En komplet dokumentation af systemet er nødvendig for at kunne lokalisere og rette op på fejlen eller manglen i tilfælde af en senere fejlfunktion. Disse dokumenter bør rekvireres fra systemdesigneren eller det implementerende firma under installationen eller senest under idriftsættelsen. Lednings- og kredsløbsdiagrammer og måleprotokoller er meget nyttige her, da de aktuelle værdier i tilfælde af en fejl kan sammenlignes med idriftsættelsesdataene fra måleprotokollerne.

Inverterfejl

Det centrale komponent i ethvert nettilsluttet solsystem er inverteren.

Dette ret sarte komponent reagerer meget følsomt på stærke strøm- og spændingsvariationer. Men også ydre påvirkninger kan have en negativ effekt på inverteren.

Hvis der vises fejlmeddelelser via LED'er eller på displayet, bør man altid have betjeningsvejledningen ved hånden, så fejlkoden kan identificeres korrekt.

Typisk beskriver dokumenterne også eventuelle yderligere skridt, der skal eller kan tages af dem, der bruger inverteren, før de tilkalder specialisterne.


Skygger og hotspots

I den venstre figur er alle solceller i et modul involveret i elproduktion (se rød linje). I den højre figur er substraterne med de skraverede celler (grå farve) forbundet med bypass-dioder.

Når cellerne skygger, genererer de på den ene side ingen strøm, og på den anden side opfører de sig som en forstyrrende modstand. Det reducerer strømudgangen fra de aktive celler i modulet betydeligt.

Da de skyggede celler bliver meget varme på grund af den høje modulstrøm, opstår der et hot spot, som før eller siden ødelægger cellen.

For at forhindre dette installerer producenterne såkaldte bypass-dioder i solcellemodulernes samledåser.

I dette tilfælde har dioderne en betydeligt lavere modstand over for strømmen end de skyggede celler og kortslutter strengen med de berørte celler. Dette forhindrer effektivt dannelsen af hotspots.


Snigende tab af ydeevne

Et snigende tab af ydeevne kan, men behøver ikke, være relateret til forringede paneler. Det er ofte sådan, at større og større træer eller buske med tiden fører til delvis skygge for solpanelerne.

Men storstilet og vedvarende forurening, som ikke længere løsnes og fjernes af regnvandet, kan også være årsagen. I dette tilfælde vil en professionel rengøring af solpanelerne øge udbyttet betydeligt igen.


Forskellig eller utilstrækkelig ydelse af strenge

Hvis alle strengene i et solsystem er bygget på samme måde, og modulerne er justeret på samme måde, kan man lave meningsfulde sammenlignende målinger.

Det viser meget hurtigt, om strømmen i en streng er lavere end i de andre strenge.

Alternativt kan de målte strømværdier også sammenlignes med data fra de måleprotokoller, der blev etableret under idriftsættelsen.

Såkaldte strømklemmer eller ampereklemmer er velegnede til hurtige og nemme strømmålinger, fordi strømkablerne ikke behøver at blive afbrudt under målingen.


Fejlfinding på solpaneler

Hvis et solsystem har mistet målbar effekt, skal årsagen til fejlen identificeres og løses. Der findes flere procedurer til dette formål.

Optisk inspektion

Når en streng konstateres at være defekt, skal solpanelerne i strengen først inspiceres visuelt. Det gør det meget nemt at se, om f.eks. hagl har ødelagt glasset, eller om der er dannet fine revner i glasset (såkaldte slaggespor). Afhængigt af skadens alder kan man også nemt se spor af oxidering på grund af indtrængende fugt.

Defekte forgreningsdåser eller kabler, der er beskadiget af dyrebid, kan dog også ret nemt opdages ved visuel inspektion. Lokale farveændringer eller skader på bagfolien kan også være en indikation på potentielt overophedede og defekte celler.


Test af måling

Hvis de defekte moduler er visuelt iøjnefaldende og ikke har synlige skader, bør der udføres en metrologisk undersøgelse. I denne solpaneltest er det meget nyttigt at udføre flere sammenlignende målinger med moduler af identisk konstruktion for klart at identificere defekte moduler. De vigtigste parametre er sandsynligvis tomgangsspændingen og kortslutningsstrømmen, når modulerne vender identisk mod solen.

I tilfælde af moduler, der ikke længere når deres maksimale effekt, kan bypass-dioderne potentielt være en kilde til fejl.

Hvis dioderne er overbelastede og kortslutter, kan de substrings, der er forbundet med dioden i modulerne, ikke bidrage til strømproduktionen. Hvis dioderne har en afbrydelse, bliver defekte eller beskadigede celler i modulet ikke længere brokoblet, hvilket også reducerer effekten.

Defekte dioder kan meget nemt kontrolleres med et multimeter. For at undgå fejlmålinger bør dioderne fjernes eller i det mindste loddes på den ene side. I vores multimetermanual har vi beskrevet, hvordan man måler dioder.

Vores praktiske tip: Forsigtighed ved måling af solpaneler

I modsætning til den førnævnte strømmåling med et amperemeter kræver yderligere målinger omfattende erfaring inden for elektronik og solteknologi. Derudover skal man have et godt kendskab til risici og nødvendige sikkerhedsforanstaltninger, for i større systemer, hvor mange moduler er forbundet i serie til en streng, kan der opstå spændinger på flere 100 V, selv ved svag solindstråling.


Termisk billeddannelse med termiske kameraer

Den optiske og metrologiske inspektion kan selvfølgelig kun udføres, hvis modulerne er let tilgængelige, for eksempel i en feltinstallation. Hvis modulerne er monteret på taget af en høj bygning, bliver inspektionen sværere. I dette tilfælde, eller i omfattende solcelleparker med et meget stort antal solcellemoduler, har termografering ved hjælp af en helikopter eller drone vist sig at være den bedste metode.

De følgende termografibilleder viser eksempler på, hvordan de forskellige fejl i solcelleanlæg nemt kan identificeres, selv af mindre erfarne personer, på grund af de tydeligt synlige forskelle i lysstyrke.

Modul med hotspots


Modul med forkerte delstrenge


Fejl ved afslutning af modul


Strengen er helt slukket


For at få meningsfulde billeder i termografi skal den samlede stråling være mindst 600 W pr. kvadratmeter eller helst 800 til 1000 W pr. kvadratmeter. Betragtningsvinklen til modulerne eller målevinklen for det termiske kamera skal også være 50° til 80°.

Erfaringen viser dog, at eksperter, der udfører sådanne droneflyvninger med termiske kameraer, ved meget præcist, hvornår og hvordan de skal udføre målingerne. Baseret på måleevalueringerne eller billederne kan yderligere reparationstrin derefter iværksættes.


Reparation af solpaneler

Om et defekt solpanel kan repareres, afhænger af flere faktorer:

Typen af skade

Tekniske defekter som beskadigede tilslutningskabler, brændte tilslutningskontakter, defekte samledåser eller endda defekte bypass-dioder kan som regel repareres nemt, hurtigt og uden den store indsats.

Vores praktiske tip: Forny bypass-dioderne

Vigtigt: Hvis defekte dioder skal udskiftes, er det vigtigt at bruge Schottky-dioder med de krævede strøm- og spændingsværdier. Det skyldes, at disse dioder har et betydeligt lavere spændingsfald i strømretningen end almindelige siliciumdioder.

Det bliver sværere, hvis glasset i toppen af modulet er beskadiget. Så opstår spørgsmålet, om det kun er glasset, der er beskadiget, eller om det også er solcellerne nedenunder.
I dette tilfælde skal det beskadigede solcellemoduls aktuelle ydeevne først fastslås klart ved hjælp af en måling.

Hvis skaden allerede er ældre, vil fugt og snavs, der trænger ind over tid, føre til oxidering af solcellerne under glasset eller af deres forbindelser (se også illustrationen i afsnittet om optisk inspektion).


Alder, størrelse og tilstand

Hvis årsagen til den forringede ydelse ikke kan identificeres klart, er det nødvendigt at tjekke, hvor gammelt panelet er. Faktisk giver solcelleproducenter nogle gange en ret lang ydelsesgaranti på deres solcellepaneler. I tvivlstilfælde kan en konsultation med sælgeren skabe klarhed.

Det sker nogle gange, at glaspladen på nye moduler bliver beskadiget under transporten. De berørte paneler producerer så stadig de maksimale værdier for spænding og strøm, der er angivet i databladene. I dette tilfælde er det muligt at forsegle modulets ødelagte glasplade med en passende støbeharpiks eller lak og dermed redde modulet.

For ældre og mindre moduler, som heller ikke længere giver fuld effekt, er forsegling ikke længere umagen værd. I dette tilfælde er det bedre at udskifte det defekte modul. Desværre sker det igen og igen, at et modul med den ønskede størrelse og effekt ikke længere er tilgængeligt i handelen. I dette tilfælde kan virksomheder, der har specialiseret sig i at reparere og genopbygge defekte solcellemoduler, hjælpe. På grund af det stadigt voksende antal solcelleinstallationer er både disse specialiserede virksomheder og eksperter i solcelleinstallation og -service (solcelleinstallatører) nemme at finde på internettet.


Reparation af solpaneler: et job for professionelle

Omfattende visuelle inspektioner eller nøjagtige strømmålinger med et amperemeter er aktiviteter, der skal udføres regelmæssigt på solcelleanlæg. Med en smule teknisk viden er disse opgaver nemme at udføre.

Men hvis der er behov for at reparere større skader på solcelleanlægget, bør arbejdet udføres af anerkendte eksperter. Især fordi arbejdet ofte skal udføres i store højder og kræver omfattende ekspertise.

Selvom der findes adskillige videoer på relevante videoportaler om udskiftning af defekte bypass-dioder eller forsegling af defekte solcellemoduler, fraråder vi på det kraftigste, at man udfører arbejdet selv, hvis man ikke har den nødvendige ekspertise. Det er bedre at vælge solcellemoduler af høj kvalitet på forhånd og tegne en passende solcelleforsikring, der dækker alle omkostninger til reparationer og tab af brug i tilfælde af f.eks. haglvejr.