Die Technologie der Photovoltaik Module sowie der Aufbau der PV-Strings hat sich in den vergangenen Jahren stark verändert. Neben den höheren Leistungen und Wirkungsgraden der Panels hat sich auch die Zelltechnologie und Modularchitektur, zum Nachteil der notwendigen Prüfmethoden nach der Errichtung, weiterentwickelt.
Ein PV-Modul verhält sich elektrisch nicht nur wie eine Stromquelle, sondern enthält auch signifikante Kapazitäten. Diese entstehen durch den physischen Aufbau des Moduls.
PV-Module enthalten im Wesentlichen zwei signifikante Kapazitäten:
- Interne Kapazität (Cint): Gespeicherte Ladung innerhalb der Halbleiterübergänge der Zellen.
- Erdkapazität (CPE): Die Kapazität zwischen den stromführenden Zellen und dem geerdeten Modulrahmen.
Verhalten des Entladevorgangs während der Prüfung:
Zwecks Messung des Kurzschlussstroms (ISC) schließt das Prüfgerät den angeschlossenen String und somit auch die interne Kapazität (Cint) kurz.
- Im Entlademoment wird die in der internen Kapazität gespeicherte Energie entladen. Zusätzlich zum modulspezifischen Kurzschlussstrom fließt in diesem Moment ein kapazitiver Entladestrom (Entladepuls).
- Höhe und Dauer des Entladepulses werden durch die gespeicherte Energie im PV-String, dem internen Widerstand des PV-Strings sowie dem internen Widerstand des angeschlossenen Prüfgerätes bestimmt.
Messungen haben ergeben, dass bereits bei 440W Standardmodulen Entladeströme von über 240A auftreten können. Die in den nachfolgenden Abbildungen dargestellten Messungen zeigen, dass bei gleichem Modultyp die Stringlänge (Stringspannung) eine wesentliche Auswirkung auf die Entladeenergie hat, jedoch nicht auf die Höhe des Kurzschlussstromes.
Module mit höherer Leistung enthalten in der Regel mehr parallel geschaltete Zellen, was die Modulkapazität (Cint) und die Stromspitze (ISC_Peak) erhöht.
Kritische Überlastungsszenarien für Prüfgeräte und Messadapter
Die kapazitive Entladung während der Kurzschlussstromprüfung stellt eine erhebliche Belastung für die Messkreise von PV-Prüfgeräten dar.
BENNING PV 125
Das BENNING PV 125 ist speziell für kapazitiv belastete Strings ausgelegt und verfügt daher über umfangreiche Schutz- und Entlademechanismen.
- Belastung von Leistungshalbleitern durch Entladestromspitzen
- Das BENNING PV 125 begrenzt den maximalen Entladestrom sowie den Stromanstieg auf einen sicheren Arbeitsbereich.
- Stellt das Gerät während der Vorprüfung eine kritische Überlast fest, wird die Prüfung mit einem entsprechenden Hinweis abgebrochen.
BENNING PV-S 1500
Der Kurzschlussschalter BENNING PV-S 1500 ist für eine Dauerbelastung bis 23 A ausgelegt, fängt aber auch technologiebedingte Stromspitzen oder Lichtbögen beim Trennen von Kontakten unter Last sicher ab.
- Lichtbogenbildung:
Beim mechanischen Kontaktieren oder Trennen unter Last kann die kapazitive Entladung Lichtbögen verursachen, welche die Kontakte der Messleitungen und Buchsen verschleißen.- Der Kurzschlussschalter BENNING PV-S 1500 ist für hohe kurzzeitige Entladeströme (gemäß EN IEC 60947-3 Klasse PV2) ausgelegt.
- PV-Strings enthalten neben kapazitiven auch induktive Eigenschaften. Der induktive Anteil kann bei mechanischen Schalteinrichtungen dazu führen, dass auf der Trennstrecke des Schalters im Abschaltmoment ein Lichtbogen bestehen bleibt.
Gefahrenquelle: Erhöhte Kurzschlussströme bei hoher Einstrahlung
PV-Module können unter realen Bedingungen deutlich höhere Ströme liefern, als im Datenblatt unter Standardtestbedingungen (STC: 1000 W/m², 25°C) angegeben:
- Bei sehr guten Einstrahlungsbedingungen (z. B. Reflexionen durch Wolkenränder, sogenannte „Cloud Edge Effects“) kann die Strahlung deutlich höher als 1000 W/m² liegen. Ähnliche Effekte treten auf, wenn reflektierende Oberflächen auf die PV Module gerichtet sind.
Dies führt dazu, dass der reale Kurzschlussstrom nach der kapazitiven Entladung den im Datenblatt angegebenen Wert ISC um 20% oder mehr überschreiten kann.
Wenn das BENNING PV 125 nahe der Spezifikationsgrenze betrieben wird, führt diese Kombination aus kapazitivem Einschaltpeak und erhöhtem Betriebsstrom zum bewussten Abbruch der Messung während des Vortestes. - PV-Module werden stetig weiterentwickelt und optimiert. Änderungen können auch in bestehende Modellreihen einfließen, was Einfluss auf die technischen Daten des PV-Moduls haben kann.
- Wir empfehlen bei der Beschaffung von PV-Modulen die technischen Daten vom Hersteller bestätigen zu lassen, um mögliche Auswirkungen auf die PV- Installationsprüfung schon im Vorfeld einstufen und bewerten zu können.
FAQ
Welche Möglichkeiten bestehen, wenn das BENNING PV 125 die Messung abbricht?
Aufgrund der oben beschriebenen Modul-Effekte ist es möglich, dass BENNING PV 125 die Messung abbricht, obwohl nach Moduldatenblatt der Kurzschlussstrom ISC deutlich unterhalb der Spezifikationen des BENNING PV 125 liegt. Sie haben folgende Möglichkeiten um den String dennoch zu prüfen:
- Wiederholen Sie die Messung bei reduzierter Einstrahlung
- Reduzieren Sie die Länge des Strings und verringern Sie so die Entladeenergie
- Verwenden Sie die optionale Kurzschlussbox BENNING PV-S 1500 sowie die Stromzange BENNING CM 3-PV um Strings bis 1500V / 23A zu überprüfen.
Gehen Sie wie folgt vor, um mithilfe einer Kurzschlussbox und einer Stromzange die Messung mit dem BENNING PV 125 auszuführen:
- Messen Sie mit dem BENNING PV 125 die Leerlaufspannung des Strings:
(Prüfung gemäß Bedienungsanleitung Kapitel 5.4.1 Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom messen).
Menü → Manuelle Messung →Panelspannung
Hinweis: Die Panelspannung wird ebenfalls bei ausgewählter Automatik Prüfung vor Beginn der Prüfung angezeigt. - Schließen Sie die Kurzschlussbox mit gesteckter Kurzschlussbrücke an den zu prüfenden String an und schalten Sie den Kurzschluss über den Schalter auf.
- Messen Sie den Kurzschlussstrom mit der BENNING CM 3-PV.
- Prüfen Sie den Isolationswiderstand des kurzgeschlossenen PV-Strings mit dem BENNING PV 125:
(Prüfung gemäß Bedienungsanleitung Kapitel 5.4.2 Isolationswiderstand messen Punkt zu Punkt). - Trennen Sie den Kurzschluss über den Schalter des BENNING PV-S 1500 und trennen Sie die Kurzschlussbox vom PV String.
Hinweis:
Trotz Abbruch der im BENNING PV 125 „speicherbaren“ automatischen Strangmessung können auch die oben beschriebenen Einzelmessungen (Voc, Isc, Riso) über die BTEC Onlineanwendung aufgenommen werden und in die Dokumentation des PV-Systems einfließen.
Welche Module weisen kritische Kapazitäten auf?
Aufgrund der Vielzahl von Herstellern und Modultypen können keine generellen Aussagen zu den Eigenkapazitäten spezifischer PV-Module getätigt werden.
Die Eigenkapazität von PV-Modulen wird üblicherweise nicht von den Modulherstellern angegeben, da die notwendigen Installationsprüfungen nach der Errichtung nicht im Fokus stehen.
Studien zeigen, dass die Kapazität von modernen N-Type Modulen um ein Vielfaches höher liegt als bei älteren P-Type Modulen. Zu den N-Type Modultopologien zählen beispielsweise TopCon oder HJT-Modularchitekturen.
Hintergrundwissen zu automatischen Photovoltaik Prüfgeräten
In automatischen PV-Prüfgeräten werden üblicherweise Feldeffekttransistoren (FET) zur Schaltung und Regelung des Kurzschlussstrommesskreises eingesetzt.
Diese Leistungshalbleiter sind für bestimmte maximale Stromanstiegs-geschwindigkeiten (di/dt) und Spitzenströme (ID,max) ausgelegt. Ein zu hoher kapazitiver Entladeimpuls kann diese Bauteile überlasten. Um diese Überlastung zu vermeiden, wird in der Schaltungsentwicklung die Ansteuerung des Bauteils so ausgelegt, dass die Bauteile innerhalb der technischen Parameter betrieben werden.
Während der Entladung wird im FET Energie umgesetzt. Die gespeicherte elektrische Energie wird innerhalb des Halbleiters in Wärmeenergie umgewandelt.
Die Entladezeit des PV-Strings und damit die auf den Prüfkreis einwirkende Entladeenergie [E] erhöht sich mit dem Anstieg der String Spannung [U]:
E = ½ · C · U2
Das angeschlossene PV-Prüfgerät muss eine ausreichende Entladezeit gewährleisten. Zu berücksichtigen sind der maximale Entladestrom und die im String gespeicherte Energie. Wird die Kurzschlussstrommessung durchgeführt, ohne dass der PV-String vollständig entladen wird, zeigt das Prüfgerät einen zu hohen Kurzschlussstrom an.
Die PV-Prüfgeräte von BENNING sind so ausgelegt, dass innerhalb einer vollständig durchgeführten Prüfung eine ausreichende Entladezeit gewährleistet ist, bevor der Kurzschlussstrom gemessen wird.
Vergleich von PERC, TopCon und HJT-Modultechnologie in Bezug auf die Auswirkungen auf die Kurzschlussprüfung
In der Photovoltaik-Branche wird das Thema Eigenkapazität oft unterschätzt, obwohl es für die Sicherheit und Messbarkeit von Modulen entscheidend ist. Besonders beim Vergleich zwischen dem alten Standard PERC und den modernen N-Typ-Technologien (TOPCon und HJT) ergeben sich große Unterschiede in der Prüfpraxis.
Der Kapazitäts-Vergleich: Warum HJT und TopCon Energie „speichern“
Die Solarzelle fungiert innerhalb der unterschiedlich dotierten Halbleiterübergänge physikalisch als Kondensator. Die Kapazität C hängt von der Fläche, dem Abstand der Ladungsträger und der Qualität der Isolationsschichten (Passivierung) ab. Die kapazitive Energie wird in den Halbleiterübergängen der PV-Zelle gespeichert.
- PERC (Referenz): Besitzt eine moderate Eigenkapazität. Die Rückseite ist passiviert, aber die Metallkontakte durchbrechen diese Schicht punktuell, was die kapazitive Wirkung begrenzt.
- TOPCon: Hat eine höhere Eigenkapazität als PERC (Faktor ca. 6), da die ultradünne Oxidschicht über die gesamte Fläche wie ein Dielektrikum wirkt.
- HJT: Weist die höchste Eigenkapazität auf (bis zu 5–10 Mal höher als PERC). Der Grund ist der „Sandwich-Aufbau“ mit beidseitig amorphen Siliziumschichten. Diese Schichten sind extrem gute Isolatoren und umschließen den Wafer vollständig, wodurch die Zelle enorme Mengen an Ladung speichern kann.
Kurzschlussprüfung und Entladeenergie
Dieser Unterschied wird bei der Kurzschlussprüfung (Isc-Messung) oder bei Wartungsarbeiten kritisch. Wenn ein Modul unter Licht steht und kurzgeschlossen wird, fließt nicht nur der generierte Strom, sondern auch die gespeicherte Energie schlagartig ab.
Die hohe Entladeenergie von TopCon und HJT-Modulen sorgt in der Praxis für zusätzliche Belastung im Kurzschlusskreis von PV-Prüfgeräten. Die Auswirkungen sind im Absatz „Hintergrundwissen zu automatischen PV-Prüfgeräten“ beschrieben.
Bei modernen PV-Modulen führt die hohe Kapazität dazu, dass beim Schließen oder Trennen von Steckverbindungen unter Last (oder bei Kurzschlussprüfungen) eine deutlich höhere kapazitive Entladeenergie frei wird als bei PERC.
Abhängig von der Entladeschaltung kann die Entladezeit des PV-String unterschiedlich lange dauern:
- BENNING PV-S 1500: ca. 250 – 300µs (Referenz siehe obige Abbildungen)
- BENNING PV 125: Der Entladestrom wird begrenzt, die Entladung kann 2-3x so lange dauern im Vergleich zum BENNING PV-S 1500.