Präzise arbeitende Messgeräte - I/U-Kennlinienmessgeräte lokalisieren Systemmängel und führen zu maximalem Ertragsergebnis

Um während des gesamten Betriebs eine hohe PV-Anlagenqualität und Ertragssicherung zu gewährleisten, sind in zeitlichen Intervallen neben der optischen Zustandsbegutachtung (Fehlerquellen, PV-Moduldegration etc.) auch die Messungen der elektrischen Sicherheit, Leistungsmessung (Wirkungsgrad) und Stringmessungen durchzuführen. Mit den I/U-Kennlinienmessgeräten lässt sich auch die Leistung einer PV-Anlage auf Standardbedingungen hochrechnen. Zudem können die meisten Messgeräte ihre Messwerte so verarbeiten, dass die I/U-Kennlinien auf Basis der STC-Bedingungen sehr gut erstellt und analysiert werden können.
Grundsätzlich muss jeder Solarteur auch nach der Erstabnahme die Anforderungen nach der DIN EN 62446 „Netzgekoppelte PV-Systeme, Mindestanforderungen an Systemdokumentation, Inbetriebnahmeprüfung und wiederkehrende Prüfungen“ beachten, in der auch die durchzuführenden Messungen definiert sind.

Empfohlene Prüffristen:

• Prüffristen und Art der wiederkehrenden Prüfungen von PV-Anlagen nach BGV A3 §5 „Prüfungen“ oder TRBS 1201.
• Wiederkehrende Prüfungen von PV-Anlagen nach VDE 0105-100 und VDE 0126-23: Messungen, Messverfahren und Werte/Richtwerte für die Messung in Anlagen mit Schutzmaßnahmen im TN-/TTSystem.

I/U-Kennlinienmessgeräte
Ohne I/U-Kennlinie kann keine ordentliche Diagnose erstellt werden. Obwohl die grafische Darstellung schlicht und einfach ist, lässt sich doch sehr viel herauslesen. Die beiden Endpunkte der I/U-Kennlinie definieren die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom. Der dritte, aber wichtigste Punkt auf der Kennlinie kennzeichnet den MPP (Maximum Power Point), also den Arbeitspunkt, an dem ein PV-Modul die höchste Leistung abgibt.
Mehr erfährt der Anwender durch die nicht immer ideal verlaufende Kennlinie. Insofern gibt es eine Vielzahl an Deformationen, wie Steigerungsänderungen, Knicke in der Kurve. Je nach Umfang und Position weisen die Deformationen innerhalb der Kurve auf unterschiedliche Probleme hin. Die Charakteristik ist abhängig von der aktuellen Bestrahlungsstärke sowie der Zellentemperatur.
Für den Nachweis von Ertragsverlusten und deren Ursache kommt nur der Einsatz von I/U-Kennlinienmessgeräte infrage. Die I/U- Kennlinie stellt die Eigenschaften und Probleme des PV-Moduls grafisch dar sowie das Verhalten bei unterschiedlichen Belastungszuständen. Zudem lassen sich mithilfe der I/U-Kennlinien auch die Teilverschattungen (Diffus- oder Schlagschatten) sichtbar machen und der Serieninnenwiderstand berechnen, der bei einem zu hohen Wert auf einen Kabelbruch, Korrosionen oder auf Verbindungsfehler und auf fehlende bzw. falsch installierte Bypassdioden hinweist.
Grundlage für die Aufnahme der I/U-Kennlinien sowohl von einzelnen PV-Modulen als auch von PV-Strings bildet die Messung des Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Sonneneinstrahlung (über eine kalibrierte Referenzzelle) und die Modultemperatur. Daraus ermittelt das Messgerät ohne Eingabe weiterer Moduldaten mit einer einzigen Messung die Peakleis­tung, den Serieninnenwiderstand und den Parallelinnenwiderstand der PV-Anlage und rechnet diese Werte für den Vergleich mit den Herstellerangaben in die Standard-Test-Conditions (STC) um. Diese genormten Testbedingungen wurden definiert, um verschiedene PV-Module und Zellen anhand ihrer I/U-Kennlinien vergleichen zu können. Im Wesentlichen wird die Qualität eines PV-Generators durch den MPP-Wert (Maximum Power Point), den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung charakterisiert.
Um die Vergleichbarkeit von Leistungs­angaben zu gewährleisten, ist die Peakleis­tung eines Moduls bei 25°C Zelltemperatur, 1000 W/m² Einstrahlung und dem Airmaß von AM = 1,5 definiert. Die Einstrahlungsstärke auf die Oberflächen der PV-Module ist extrem variablen Charakteristiken unterworfen, weil sie vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die PV-Moduloberfläche und den Witterungsverhältnissen (globale, diffuse Strahlung, Wolkenbildung, etc.) abhängig ist. In Abhängigkeit von der Einstrahlungsstärke und Außentemperatur ergeben sich bei den PV-Modulen die charakteristischen I/U-Kennlinien (Strom-/Spannungs-Kennlinien) bei den drei unterschiedlichen Einstrahlungsstärken von 600 W/m², 800 W/m² und 1000 W/m².
Aufgrund der MPP-Regelung arbeiten die PV-Module stets mit optimalem Wirkungsgrad. Der Lastregler (Tracker) ist in den Wechselrichter integriert, wobei die Elektronik laufend die Strom- und Spannungswerte ermittelt und die Leistung (W) als Produkt aus beiden Werten errechnet. Zudem ist diese Elektronik in der Lage, durch geringe Veränderungen des Auslas­tungsgrads festzustellen, ob die PV-Anlage mit maximaler Leistung (MPP) arbeitet.

Fehlersuche mit Software
Mit der Software können die gemessenen Moduldaten am PC ausgewertet, verwaltet und gespeichert werden. Die Analysesoftware stellt die gemessenen I/U-Kennlinien mit ihren Kenngrößen im Vergleich zu den Herstellerangaben dar. Anhand der Messergebnisse zeigt die Software in Abhängigkeit vom Messergebnis die typischen Fehlerquellen auf. Zudem kann neben einer irreversiblen (unumkehrbaren) Moduldegradation gleichzeitig eine reversible Degradation stattfinden. Aus diesem Grund können amorphe PV-Module unabhängig von der Sonneneinstrahlung im Frühjahr/Sommer einen besseren Wirkungsgrad als im Herbst/Winter vorweisen.
Das Erkennen der Details setzt etwas Erfahrung in der Interpretation der Kennlinien und der Eigenschaften der PV-Zelltechnologien voraus. In der grafischen I/U-Kennlinie wird die maximale Leistung im MPP als Schnittpunkt von Ip_max und Up_max) dargestell, wobei das Messgerät aus diesen Kennlinien auch den Füllfaktor als Verhältnis berechnet. Je niedriger der Füllfaktor, desto niedriger ist der Wirkungsgrad eines PV-Moduls. Kristalline Solarzellen erreichen einen Füllfaktor zwischen 0,75 und 0,8, amorphe Zellen von etwa 0,5 bis 0,7. Darüber hinaus bildet die I/U-Kennlinie die Basis zur Berechnung der effektiven Solarzellenkennlinie, anhand der die Peakleistung und der Serieninnenwiderstand berechnet werden können. Der Widerstand ergibt sich physikalisch aus dem verwendeten Material, dem Aufbau des Moduls sowie seiner Kabelanschlüsse. Im Normalfall bleibt der Wert konstant und beträgt bei kristallinen Modulen etwa 1 ?, bei Dünnschichtmodulen ca. 2 ?. Bislang müssen zur Bestimmung des Serieninnenwiderstands zwei Kennlinien unter definierten Bedingungen aufgenommen werden. Als zweite wichtige Kenngröße können über den Serieninnenwiderstand noch zusätzliche Aussagen über evtl. Kontaktkorrosion, erhöhte Übergangswiderstände und Leckströme gemacht werden.
Zudem lässt sich mit einem PV-Analysator und der zugeordneten Software der theoretisch zu erwartende Wert des Serieninnenwiderstands berechnen, sofern die STC-Kennwerte des Herstellers (UOC, ISC, UMPP und IMPP) zum PV-Modul bekannt sind. Der Vergleich des gemessenen mit dem berechneten Widerstand bildet den ersten Hinweis für Schäden innerhalb der PV-Anlage. Wenn der gemessene Wert zu hoch ausfällt, müssen die Verkabelung auf Leistungsbruch, Korrosion der Kontakte, Verbindungsfehler oder unterdimensionierte Leitungsquerschnitte überprüft werden.

Produkthersteller (Auszug)
Mit dem neuen „Solar-4000“ mit Peakleistungs- und I/U-Kennlinienanalysator für PV-Anlagen Beha-Amprobe, Glottertal (Fluke Deutschland GmbH), können die Strom-/Spannungskennlinien nicht mehr nur von PV-Einzelmodulen, sondern zusätzlich auch von PV-Modulstrings ermittelt werden.
Zudem werden die I/U-Kennlinie, der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, Leistung, Einstrahlung, Temperatur und Neigungswinkel aufgezeichnet. Die vom „Solar-4000“ gemessene Kennlinie kann mittels der Messwerte des Sensors auf STC Bedingungen umgerechnet und angezeigt werden. Zusätzlich kann aufgrund der hinterlegten Moduldatenbank die STC-Idealkennlinie des Herstellers eingeblendet werden. Der drahtlose Sensor misst berührungslos die Zellentemperatur, den Neigungswinkel und die Einstrahlung in der Solarmodulebene. Die Messwerte werden per Funk direkt an das Hauptgerät übertragen. Für die Messung der Einstrahlung wird die Referenzzelle automatisch zwischen einer mono- und polykristallinen Zelle umgeschaltet.
Von der Eko Instruments Europe B.V., Den Haag (NL), wurde als aktuelle Version das tragbare I/U-Kennlinienmessgerät vom Typ „MP-170 Portable I-V Checker“ mit abnehmbarer Sensoreinheit eingeführt. Die batteriebetriebene Ausführung liefert als Peakleistungsmessgerät sämtliche wichtigen Parameter von den PV-Modulen und den PV-Modulstrings. Der „MP-170 Portable I-V Checker“ eignet sich für Betriebsprüfungen und Wartungsarbeiten sowie zur Überprüfung von Performance und den Energieertrag. Die Kennliniendaten werden automatisch in STC-Werte konvertiert. Im Lieferumfang des „MP170“ sind die Zubehörteile, wie Temperatur- und Strahlungssensoren sowie die Analysesoftware, enthalten.
Mit dem „Profitest-PV“ der GMC-I Messtechnik GmbH, Nürnberg, wurde ein Peakleistungs- und Kennlinienmessgerät für PV-Anlagen entwickelt, mit dem die Messungen der PV-Einzelmodule als auch ­-Strings durchgeführt und die grafische Darstellung der I/U-Kennlinie ermittelt bzw. dokumentiert werden können.
Durch ein patentiertes Verfahren kann das Prüfgerät mit nur einer Messung und ohne Angabe der Moduldaten direkt am Aufstellungsort die Peakleistung, den Serieninnenwiderstand und den Parallelinnenwiderstand ermitteln und auf dem für Sonnenlicht geeigneten hochauflösenden Touchfarb-Grafikdisplay anzeigen. Mit dem „Profitest-PV“ lassen sich sämtliche Funktionen ausführen, wie

• hohe Genauigkeit der erfassten I/U-Kennlinie durch gleichmäßige Messung an kapazitiver Last,
• Messung des Kurzschlussstrom Isc, der Leerlaufspannung Uoc, der aktuellen Spitzenleistung einer Solarzelle P_max, des Serienwiderstandes R_s, Messung des Parallelinnenwiderstandes (R_p),
• automatische Umrechnung der aktuellen Messwerte auf  STC-Werte,
• patentiertes Rechenverfahren zur Bewertung von PV-Generatoren ohne Kenntnis der Herstellerdaten,
• integrierte Moduldatenbank mit bidirektionalem Datenaustausch,
• getrennte Messung der Temperaturen von Einstrahlungssensor und Modulrückseite (Pt100) zur Erhöhung der Messgenauigkeit,
• ständige Anzeige der aktuellen Einstrahlung und Temperaturen zur Auskunft über die Messbedingungen,
• Software zur grafischen Darstellung, Auswertung und Protokollierung mit integrierter Datenbank.

Das Peakleistungs- und Kennlinienmessgerät erfüllt die messtechnischen Anforderungen im Bereich kapazitiver Last von Generatorspannungen bis 1000 V (DC) und Strömen bis 20 A (DC) oder 20 kW ab.

Optional: „Profitest PV“-Analyzer und Protokollerstellung, zum

• Einlesen der gemessenen Kennlinienwerte sowie der Kunden- und Moduldaten aus dem „Profitest PV“,
• Auswertung, grafische Darstellung, Protokollierung und Analyse der Messungen an PV-Solarmodulen,
• Erstellung grafische Darstellung der I/U-Kennlinie mit errechneten Maximum Power Point (MPP),
• Vergleich mit der Leistungskurve sowie mit der Effektiv- und STC-Kennlinie,
• I/U-Kennlinie mit Darstellung der Messpunkte,
• Verwaltung in einer integrierten Kunden- und Moduldatenbank.

Die H.a.l.m. Elektronik GmbH, Frankfurt/Main, präsentiert die aktuelle Version des I/U- Kennlinienmessgerät vom Typ „CentisPV-CT-F1“. Das Messgereät mit der Sensoreinheit (CB 1) liefert sämtliche wichtigen Parameter von den PV-Modulen wie Strom, Spannung, Modultemperatur, Einstrahlung und berechnet den STC-Wert aus Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, MPP-Strom, MPP-Spannung) sowie den Füllfaktor, Serieninnenwiderstand, Parallelwiderstand und die Stromdichte. Die Kennliniendaten werden automatisch in STC-Werte konvertiert.
Mit dem Peakleistungsmessgerät „I-V 400“ von HT Instruments GmbH, Korschenbroich, wird die Erstellung der Strom-/Spannungskennlinie von PV-Einzelmodulen als auch von einem Modulstring bis 10 A/1000 V DC ermöglicht sowie die Analyse ausführen. Durch einfachen Tastendruck werden die aktuelle Leistung (am MPP), die Peakleistung, der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung auf der Grafikanzeige dargestellt und auf Standard-Testbedingungen (STC) automatisch umgerechnet. Aus dem Vergleich zwischen der gemessenen und vorgegebenen Kennlinie des Herstellers lassen sich unmittelbar Rückschlüsse auf den aktuellen Qualitätszustand der PV-Module schließen.
Die Messdaten und die Kennlinie lassen sich nach der Messung im „I-V400“ mit Kommentar abspeichern und zur weiteren Bearbeitung (Protokoll) ausgewertet bzw. als Dokumentation verwenden.
Das „I-V 400“ verfügt des Weiteren über eine Datenbank mit den Kenndaten der gängigsten PV-Module. Diese Datenbank kann jederzeit durch den Anwender sowohl direkt als auch über die PC-Schnittstelle erweitert bzw. aktualisiert werden. Zum Standardzubehör gehört eine Duo-Referenz-Zelle (HT 304) mit interner Temperaturkompensation. Dieser Sensor kann die Einstrahlungsstärke mit zwei unterschiedlichen Referenzzellen (Monokristallines Silicium und Multikristallines Silicium) erfassen. Zudem kann optional ein externer Datenlogger (Typ: „Solar-02“) verwendet werden.
Das PV-Kontroll- und Analysegerät „Solar 300N“ für 1- und 3-Phasen von HT Instruments dient zur Überprüfung der gesamten PV-Anlage in Betrieb – in Anlehnung an die EN 61724 – und zur Zertifizierung oder Erstellung eines Abnahmeprotokolls (z.B. PV-Anlagenpass nach der Errichtung).
Üblicherweise wird der Wechselrichter weit entfernt von den PV-Modulen installiert. Um den Einsatz von sehr langen Messleitungen zu vermeiden, wird zu dem Kontroll- und Analysegerät „Solar 300N“ zusätzlich der externe kabellose Datenlogger „Solar-02“ verwendet, der die solare Einstrahlung (W/m2), Solarzellentemperatur (°C) und Umgebungstemperatur (°C) erfasst.
Insofern werden nicht nur die großen Kabellängen zwischen den Sensoren und dem Messgerät „Solar 300N“ vermieden und eine genaue, vergleichbare und direkte Messung unter realen Bedingungen garantiert, sondern auch die Analyse ermög­licht. Aus den gemessenen ein- oder dreiphasigen Strom-/Spannungswerten werden die Parameter zur Berechnung des Wirkungsgrades und der Leistung des Wechselrichters sowie die Leistung der PV-Module ermittelt. Aufgrund der vorab eingegebenen Parameter wie die Nennleistung der PV-Anlage, NOCT-Wert (Normal Operating Cell Temperature) und dem Temperaturkoeffizienten des PV-Moduls wird der Wirkungsgrad der Module errechnet.
Der Anwender kann mit dem „Solar300N“ alle notwendigen Messungen zur Überprüfung und Zertifizierung der korrekten Funktionsweise an 1- und 3-phasigen PV-Anlagen durchführen. Das große grafische TFT-Farbdisplay mit innovativer Touchscreen Funktion ermöglicht einen einfachen Zugang zu jeder Einstellung und Messfunktion. Das „Solar 300N“ ermittelt die DC-Ausgangsleistung der Solarzellen, die AC-Ausgangsleistung des Wechselrichters, die solare Einstrahlung in W/m² und die Temperatur der Solarzellen.
Installationsfehler und zu geringe Modulwerte lassen sich somit schnell und einfach feststellen als auch professionell dokumentieren. Das „Solar 300N“ ist auch als reines Netzanalysegerät einsetzbar, um z.B. die Parameter und die Güte der gelieferten Spannung zu ermitteln und Leistung, Leis­tungsfaktor, Strom- und Spannungsanomalien sowie Oberschwingungsgehalt der erzeugten Energie zu erfassen.
Das Standard-Messgerät „PVPM1000CX“ der PV-Engineering GmbH, Iserlohn, liefert die STC-Werte aus nur einer I/U-Kennlinie. Die Bestimmung der STC-Werte und anderer Berechnungen erfolgt nach firmeneigenen patentierten Methoden. Das „PVPM1000CX“ misst die I/U-Kennlinie des PV-Moduls selbsttätig an einer kapazitiven Last und berechnet aus den ermittelten Daten die effektive Kennlinie, die Peakleistung und den Serieninnenwiderstand. Die Messdaten werden angezeigt und nach der Messung automatisch in einem batteriegepufferten Speicher dauerhaft abgelegt.
Die Tritec International AG, Allschwil/Basel (Schweiz), vertreibt den „Tri-KA“ als mobilen Kennlinienanalysator. Mit dem neuen „Tri-KA“ können die Strom-/Spannungskurven nicht mehr nur von Modulstrings, sondern zusätzlich auch von PV-Einzelmodulen ermittelt werden. Die I/U-Kennlinie, die Leistung, der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung werden aufgezeichnet. Bei jeder Messung stellt der „Tri-KA“ Messbereich und Abtastrate optimal ein. Das Gerät lässt sich einfach und intuitiv über einen menügeführten Farb-Touchscreen bedienen. Die vom „TRI-KA“ gemessene Kennlinie kann mittels der Messwerte des Sensors „TRI-SEN“ auf eine STC-Kennlinie umgerechnet und angezeigt werden. Zusätzlich kann anhand der integrierten Moduldatenbank, die STC-Idealkennlinie des Herstellers mit angezeigt werden. Der drahtlose Sensor „Tri-SEN“ misst berührungslos die Zellentemperatur, den Neigungswinkel und die Einstrahlung in der Solarmodulebene. Die Messwerte werden per Funk direkt an das Hauptgerät „Tri-KA“ übertragen. Für die Messung der Einstrahlung kann als Referenzzelle zwischen einer mono- und polykristallinen Zelle ausgewählt werden.

Resümee
Für den Solarteur und den Wartungsdienst ist es unentbehrlich, die Messungen und Betriebsprüfungen innerhalb der PV-Anlage nur mit präzise arbeitenden Messgeräten durchzuführen. Sämtliche ermittelten Leistungsparameter ermöglichen nicht nur die Diagnose der I/U-Kennlinien, sondern erleichtern auch die Fehlersuche innerhalb der PV-Anlage mit dem Ziel einer Anlagenqualitätsteigerung.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig.
81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de