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Neuartige Methoden zur Qualitätssicherung und Fehlersuche Nicolas Bogdanski TÜV Rheinland Heribert Schmidt FhG ISE

Inhalt

Motivation Qualitätssicherung und Fehlersuche

Fehlertypen von Interesse

Ursachen für Fehler

Fehlererkennung durch induktive Sensorik

Angewandte Messung (erweiterte Laboranalyse)

Vorschlag zu Inlinemessung

03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 2

© Fraunhofer ISE

3

Aufgabenstellung

Z. Zt. in D ca. 30 GWp PV installiert

Das sind ca. 150 Mio. Module

Das sind ca. 450 Mio. Bypass-Dioden

Das sind ca. 10 Mrd. Solarzellen (3 Wp)

Das sind ca. 50 Mrd. Lötstellen

Es gibt schlechte Lötstellen

Es gibt gebrochene Zellen / Bändchen

Es gibt offene Bypass-Dioden

Es gibt kurzgeschlossene Bypass-Dioden

Es gibt (systematische !!!!) Mehrfachfehler

Wie können diese Fehler im Feld gefunden werden?

Quelle: Lutz Erbe, VGH

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Betrieb mit Unterbrechung und intakter Bypass-Diode

Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen

Zellstrom IZelle = 0

Strangstrom fließt über Bypass-Diode

IBypass = IStrang

UBypass ~ 0,5 V

Sperrspannung über Bruchstelle:

UBruch = n UZelle + UBypass ~ (n + 1) UOC_Zelle

UBruch ~ 11 … 16 V

Lichtbogen kaum möglich

„Brutzelnder Wackelkontakt“ gut möglich

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Betrieb mit Unterbrechung und offener Bypass-Diode

Alle Verbinder einer Zelle seien unterbrochen

Zellstrom IZelle = 0

Bypass-Diode sei unterbrochen (z. B. wegen dauernder thermischer Überlastung!)

IBypass = Istrang = 0

Spannung über Bruchstelle (worst case): UBruch = UOC_Strang !!!!

Lichtbogen hoher Leistung im Modul oder über Bypass-Diode sehr wahrscheinlich!!!!


Brandrisiko: Ursachen

Zellverbinderrisse

Durch Probleme bei der Verlötung von Zellen

zu Strings

Durch mechanische Beanspruchung im Feld

Durch tägliche Temperaturwechsel (z.B. Tag /

Nacht)

Defekte Bypassdioden

Beide Arten von Fehlern bleiben oft unentdeckt da: Sie durch übliche Ausgangskontrollen im Werk u. U. nicht erkannt werden Sie bei Anlagenwartung und –inspektion selten erkannt werden.

!

Durch Überspannungen während der Produktion (ESD)

Durch Überspannungen im Feld Durch thermische Überlastung

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Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (kapazitiv und induktiv, Staffelst. 1997)

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Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (induktiv)

Kazuhiko Kato AIST

03.04.2014 9 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

Induktive Verfahren zur Erkennung von Unterbrechungen

X

Str.1 Str.2 Str.3

Abschattung

Detektion defekter

(offener) Bypassdioden Detektion

gebrochener Busbars

Sensor

X

IBusbar ̴ VSensor

03.04.2014 10 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014

Induktive Verfahren zur Erkennung von Unterbrechungen - nach Belastungstests -

Temperaturwechsel Test laut IEC 61215 und IEC 61646 (50 oder 200 Zyklen): ⇒ Simulation thermischer

Wechselbelastung im Feld zur Überprüfung des Busbar-Designs

⇒ Auswertung durch Kennlinienmessung (und Elektrolumineszenz / IR-Analyse (nach Norm nicht gefordert))

Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design


Spannung [V]

Stro

m[A

]

Kennlinie nach Belastungstest

® Reil

Elektrolumineszenz-Aufnahme nach Belastungstest (200 Zyklen)

Ein kleiner Anteil von Modulen weist bei qualifizierenden Messungen Designfehler auf, diese sind in der Regel einfach zu detektieren.

Δ P => > 50%


Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design - Analyse mittels EL / IR -

Analyse und Identifizierung des genauen Orts der Unterbrechung durch EL und / oder IR ist nicht immer möglich.

Zur Verbesserung der Qualität ist genaue Anzahl von Verbinderrissen aber auch eine mögliche Früherkennung wichtig.

!

Überlagerung einer EL und einer IR Aufnahme des gleichen Moduls


Analyse jeder Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen

Auswirkung TC 200 bei falschem Modul-Design - Analyse mittels induktivem Verfahren -

Zellen Busbars

normaler Stromfluss geringer Stromfluss starker Stromfluss


Änd

erun

g M

odul

leis

tung

Anzahl Zyklen

Auswirkung erweiterte Modultests - Qualitätsanalyse für Busbars -

Analyse von Produktqualität durch Überbeanspruchung => Ermittlung von Ausfallraten von Busbars

IEC

Tes

t


Auswirkung erweiterte Modultests - Analyse mittels induktivem Verfahren -

Zellen Busbars

normaler Stromfluss geringer Stromfluss starker Stromfluss

Analyse jeder Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen

Trotz starker Überbeanspruchung halten sich die Änderungen in Grenzen! => Wie groß muss die Änderung sein damit sie signifikant ist und auf Ermüdung hindeutet?


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Ursache von Abweichungen muss noch geklärt werden !

Auswirkung erweiterte Modultests - Analyse mittels induktivem Verfahren -

Signifikanz der Messwerte

Summe der Ströme durch Zelle muss gleich sein!

Sum

me

Strö

me

Bus

bars

[a.u

.]

© Fraunhofer ISE

Grundprinzip der In-Situ-Messung (nur induktives Verfahren)

DAQSDAQS

Bewegungs-Richtungdes Moduls

X - Sensor

X

“Impedanz”-Sensoren

X

Mes

sgrö

ße

Obere Toleranzgrenze

Untere Toleranzgrenze X

Mes

sgrö

ße

Obere Toleranzgrenze

Untere Toleranzgrenze

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Was ist zu tun? Relevanz der beobachteten Abweichungen untersuchen Zulässige Grenzwerte der Abweichungen definieren Korrelation mit anderen Messverfahren (EL, IR, etc.) Einfluss von Beleuchtung / Stromfluss während der Messung Eignung für andere Zell-/Modultechnologien (z. B. Rückseiten-Kontakt)

Messstand mit mehreren Sensoren und Messwerterfassung aufbauen Kombination der Verfahren „Induktiv“ und „Stromschnüffler“ erproben „Intelligente“ Software entwickeln (z. B. selbstlernend) Einbau und Erprobung von Prototypsystem in Modul-Fertigungslinie Umsetzung in Industrieprodukt mit Industriepartner

© Fraunhofer ISE

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Heribert Schmidt

www.ise.fraunhofer.de

[email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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