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Tatsächliche versus ideale Leistung Kennlinienmessgeräte geben Aufschluss über tatsächlich erbrachte Modul- und Strangleistung

Mit einem Kennlinienmessgerät können Installateure die Leistungsangaben von Herstellern mit der tatsächlich erbrachten Modul- und Strangleistung vergleichen. Die Handhabung dieser Geräte will aber geübt sein.

Dieses Handmessgerät wiegt nur ein Kilogramm inklusive Batterien. Auf dem Display liest der Anwender die Kenndaten ab, die er anschließend im Gerät speichern kann. Um die Daten auszuwerten und Rückschlüsse daraus zu ziehen, muss er einen Computer zu Hilfe nehmen.

 

Konrad Strauß, Geschäftsführer der SAT GmbH, ist gut im Geschäft. „Wir sind mit Aufträgen voll bis 2011“, sagt der PV-Unternehmer aus Nürnberg zufrieden. Trotzdem ist er dabei, „die Prozesse weiter zu verbessern“, wie er sagt. Aktuell vergleicht er Kennlinienmessgeräte, um dasjenige zu finden, das seinen Vorstellungen am ehesten entspricht. Anstatt sich auf die Angaben in den Produktdatenblättern zu verlassen, will er damit sobald wie möglich die Leistung von Modulen kontrollieren. „Der Modulmarkt wird immer undurchsichtiger. Man will doch wissen, was man verbaut. Immerhin will ich 20 Jahre mit meinen Kunden zusammenarbeiten“, begründet Strauss sein Vorhaben. Sobald er sich für ein Gerät entschieden hat, will er vor der Installation stichprobenartig Module überprüfen. Bei den Kunden, mit denen er einen Wartungsvertrag abgeschlossen hat, wird er danach einmal jährlich die Leistung von Strings an ihren Anlagen vermessen.
Kennlinienmessgeräte, mit denen die Stromspannungskennlinien von PV-Modulen und -Generatoren erfasst werden, gehören derzeit noch nicht zur Standardausrüstung von PV-Installateuren. Ein Installateur macht damit noch am ehesten Bekanntschaft, wenn es zu einem Schadensfall kommt und der Modulhersteller oder der Sachverständige mit einem solchen Gerät anrückt. Doch in einer Zeit, in der immer mehr Anbieter auf den Markt drängen und Installationsbetriebe sich von der Masse abheben wollen, werden Kennlinienmessgeräte immer populärer. Damit sie auch tatsächlich das bringen, was der Nutzer sich davon erhofft, ist so einiges zu beachten.


Wer ein Kennlinienmessgerät nutzt, muss nicht nur damit umzugehen wissen,  sondern auch die Kennlinien interpretieren können.

Einfaches Funktionsprinzip

Die wichtigste Funktion eines Kennlinienmessgerätes ist die Messung der aktuellen Leistung eines Moduls oder eines Stranges. Die Leistung, die ein Solargenerator erzeugt, ist das Produkt aus Strom (I) und Spannung (U). Für eine Kennlinie werden die beiden Größen in einem Koordinatensystem dargestellt. Auf der x-Achse wird die Spannung abgebildet, auf der y-Achse der Strom, der bei dieser Spannung am Modul fließt. Das Ergebnis der grafischen Darstellung ist die Stromspannungskennlinie. Dort, wo das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist, befindet sich der Maximum Power Point (MPP), der Punkt der maximalen Leistung. Die Eingangsregelungen des Wechselrichters haben die Aufgabe, Module bei Spannungen und mit Strömen zu betreiben, die möglichst nahe am MPP liegen.
Das Funktionsprinzip des Kennlinienmessgerätes ist einfach. In dem Kasten befindet sich ein zylinderförmiger Kondensator, der als kurzzeitiger Zwischenspeicher dient. Das Modul lädt den Kondensator auf. Der Kondensator lädt sich von null auf die Endspannung der Quelle auf. Bei diesem Aufladevorgang werden die Strom- und Spannungswerte gemessen. Zuerst ist die Spannung klein und der Strom groß. Mit zunehmender Aufladung steigt die Spannung und sinkt der Strom. Ein paar Hundert Wertepaare zwischen den Eckwerten ergeben die Kennlinie. Das Gerät wird natürlich auch wieder entladen, doch das tut bei dieser Messung nichts zur Sache.
Die Alternative zum Kennlinienmessgerät lautet derzeit, mit einem Digital Multimeter (DMM) den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung der Anlage zu messen. Mit dem DMM können allerdings nur die Eckpunkte einer Kennlinie gemessen werden. Wie es dazwischen aussieht, weiß man nicht.


Für die Kennlinienmessung sind nur wenige Handgriffe nötig. Der Anwender löst zuerst die Klemmen am Modul, was bei herkömmlichen Steckverbindern ein paar Sekunden dauert. Dann schließt er das Modul mit zwei Kabeln an das Messgerät an, misst, trennt das Gerät wieder vom Modul und steckt die Klemmen an demselben wieder an. Die eigentliche Messung von Strom und Spannung dauert nur ein paar Millisekunden, ebenso wie bei dem Flasher, mit dem die Hersteller die Peakleistung ihrer Produkte vor Warenausgang testen.

Standardtestbedingungen

Ein Kennlinienanalysator, wie das Gerät auch heißt, kann nur die Leistung eines Moduls oder eines Stranges bei der gerade herrschenden Sonneneinstrahlung messen. Die Angaben der Hersteller basieren jedoch auf den sogenannten Standardtestbedingungen (STC). Die künstlich erzeugten Bedingungen sehen z.B. eine Sonneneinstrahlung von 1000 W/m² und eine Zelltemperatur von 25°C vor. Diese Laborbedingungen werden in der Realität kaum erreicht. Um das Modul mit den Herstellerangaben vergleichen zu können, müssen die real gemessenen Werte deshalb nach Standardtestbedingungen umgerechnet werden. Hierfür liefern die Messgerätehersteller die entsprechenden Sensoren mit.
Aus der Umrechnung erhält der Installateur die Nennleistung der realen Anlage, wenn sie unter Standardtestbedingungen betrieben würde. Den theoretischen Wert kann er sich nach den Leistungsangaben der Modulhersteller ausrechnen. Wenn die Diskrepanz zu groß ist, ist entweder ein Modul fehlerhaft oder die Anlage schlecht zusammengebaut.
Bei der Leistungsmessung fallen weitere Daten an, die dem Handwerker aber nur zum Teil nützen. Dies sind der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, der Serien- und der Parallelinnenwiderstand. Aufschlussreich ist der Serieninnenwiderstand. Ist der Widerstand höher als im Herstellerdatenblatt angegeben, deutet dies auf ein Problem in der Verkabelung hin, z.B. auf einen zu kleinen Leitungsquerschnitt. Auch Marderbisse oder korrodierte Stecker können Ursachen sein. Der Parallelinnenwiderstand hingegen ist für den Installateur wenig relevant. Er zeigt die Ströme innerhalb des Moduls an. Für seine Anlagenüberprüfung kann der Installateur damit wenig anfangen.


Peakleistungs- und Kennlinienanalysatoren - eine Auswahl.

Kontrolle statt Vertrauen

Soweit zur Funktionsweise der Geräte. In der Praxis werden Kennlinienmessgeräte zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingesetzt. Schon bei Ankunft der Lieferung können die Empfänger damit ganze Containerladungen oder stichprobenweise Module testen. Üblicher ist es, die Geräte erstmals dann einzusetzen, wenn die Anlage gebaut ist und ans Netz gehen soll. Hat man dies getan und die Ergebnisse sorgfältig dokumentiert, kann man die Kennlinien mit denen von späteren Zeitpunkten vergleichen und darauf schließen, ob Probleme aufgetreten sind.
Das Gerät hilft auch bei regelmäßigen Wartungen und bei der Fehlersuche. Meldet ein Anlagenbetreiber Probleme, kann der Installateur die Anlage mit dem Kennlinienmessgerät stringweise überprüfen. Ist ein String auffällig, muss er weitersuchen. Dann heißt es, jedes einzelne Modul des Strings zu vermessen. Ein kritischer Zeitpunkt ist weiterhin, wenn die Gewährleistung abläuft. Wer dann noch einmal auf Nummer sicher gehen will, kann die Module vor Ablauf dieser Frist überprüfen und die Daten abspeichern.

Nur wenige Anbieter

Obwohl das erste Kennlinienmessgerät bereits in den 1980er-Jahren auf den Markt kam, ist das Angebot nach wie vor überschaubar. Mencke & Tegtmeyer, Tritec, PV-Engineering und Halm Elektronik gehören zu den führenden Anbietern. Bei dem Angebot ist zwischen kleineren Geräten für den einfachen Gebrauch und professionellen Geräten, die z.B. Forschungseinrichtungen und Solargutachter nutzen, zu unterscheiden.
Zunächst zur Gruppe der kleinen Handgeräte. Dies sind z.B. die Geräte von Tritec und HT Instruments sowie der „Mini-KLA“ von Mencke & Tegtmeyer. Das Handmessgerät „I-V 400“ des italienischen Herstellers HT Instruments beispielsweise wiegt etwa ein Kilogramm inklusive Batterien. Auf dem Display liest der Nutzer die Kenndaten ab, die er anschließend im Gerät speichern kann. Will er die Daten auswerten und weitere Rückschlüsse daraus ziehen, muss er einen Computer zu Hilfe nehmen. Mit der entsprechenden Software kann er die Daten dokumentieren und Protokolle ausdrucken.
In die zweite Gruppe fallen die Geräte von PV Engineering und der „PV-KLA“ von Mencke & Tegtmeyer. Die Daten werden über ein Laptop oder einen PC eingesehen und ausgewertet. PV Engineering hatte eine ähnliche Motivation wie Dirk Tegtmeyer, Gründer des Ingenieurbüros Mencke & Tegtmeyer, ein Kennlinienmessgerät zu entwickeln. „Damals gab es Geräte, die waren eher für Physiker geeignet, aber nicht für den normalen Elektriker“, sagt Klaus Schulte, Geschäftsführer von PV Engineering in Iserlohn. Mit rund zehn Kilogramm sind seine vier Geräte deutlich schwerer als die kleinen Handgeräte. Dafür weiß Schulte auch Vorteile zu nennen. Zwar werde bei seinem Gerät wie bei allen anderen ein Einstrahlungssensor mitgeliefert, doch der Anwender könne auch jeden beliebigen Sensor verwenden. Die Kosten für die Geräte von PV Engineering liegen zwischen 5000 und 7000 Euro. Eingesetzt werden sie in erster Linie von Modulherstellern, Großhändlern, einigen wenigen Gutachtern und größeren Installationsbetrieben. Seit 2001 verkaufte PV Engineering „zwischen 400 und 500 Stück weltweit“.
Halm Elektronik in Frankfurt bietet neben einem transportablen Feldgerät (CetisPV-CT-F1) ein Gerät mit der wohl ausgefeiltesten Palette an Funktionen an (CetisPV-CT-L1) an. Letzteres bewirbt der Hersteller ausdrücklich für Zell- und Modulhersteller sowie Forschungsinstitute.


Anhand der Unterschiede zwischen der idealen und der gemessenen Kennlinie kann der Nutzer auf Fehlerursachen am Modul oder am Strang schließen.

Handwerker scheuen Kosten

Dass die Geräte bei Handwerkern noch nicht so verbreitet sind, liegt zum einen an den Kosten. Das Ingenieurbüro bietet seinen „Mini-KLA“ beispielsweise für 1500 Euro an, und selbst da hört Tegtmeyer noch von Installateuren, dass ihnen dies zu viel sei. Sie würden sich lieber bei Bedarf ein Gerät ausleihen, wie im vergangenen Jahr ein Installateur, der 800 Module an einem Tag ausmessen musste, erzählt Dirk Tegtmeyer. Allerdings bewirbt er die Geräte auch nicht sonderlich bei Installateuren. Die meisten seiner Messgeräte gehen an Institute, Großhändler und Hersteller. Tobias Henssen, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung von HT-Instruments in Korschenbroich, hingegen meint, dass sein Gerät mit einem Preis von 2400 Euro auch für Handwerker attraktiv sei. „Jeder Installateur, der Module einbaut, kann es verwenden“, sagt er.
Die Anwendung von Kennlinienmessgeräten ist nicht selbsterklärend. Und darin liegt ein zweiter Grund für die noch geringe Durchdringung im Handwerk. Einfach anschließen, messen und wissen, wo der Fehler liegt: So einfach ist es nicht. Dass die Nutzer viel „Sachverstand“ und „Know-how“ haben müssen, darin sind sich die Hersteller einig. Produktschulungen sind aber nicht üblich. Aus Bedienungsanleitungen sollen die Anwender sich das nötige Wissen über die Produkte erwerben.

Mehr Schulungen gefordert

Dass die Anwender die elektrischen Sicherheitsbestimmungen einhalten, halten die Hersteller für selbstverständlich. Klaus Kiefer, Leiter des Kalibrierlabors am Fraunhofer ISE in Freiburg, sieht hier noch einen Nachholbedarf. Zwar würden Elektroinstallateure das nötige Grundwissen haben, um mit solchen Geräten zu arbeiten. In seinen Augen werde das Thema Schulung aber vernachlässigt. Dabei geht es nicht nur um die eigentliche Messung. Weiß der Anwender fachgerecht mit dem Gerät umzugehen, muss er danach noch die Kennlinien interpretieren können. Nicht jedem ist bewusst, wie eine I-U-Stromspannungskennlinie im Idealfall verläuft, wie welcher Knick zu interpretieren ist und wann eine Kurve eine Auffälligkeit aufweist. Zwar sind Kennlinien und ihre Interpretation Teil verschiedener Solarausbildungen, doch ein Handwerker, der keine einschlägige Ausbildung absolviert hat, muss sich langsam herantasten.
Darüber hinaus gilt es bei Kennlinienmessgeräten so einiges zu befolgen, will man überhaupt halbwegs zuverlässige Werte ermitteln. Zunächst einmal müssen die Voraussetzungen, die der Hersteller für eine optimale Messung nennt, befolgt werden. Damit die Messung eine normgerechte Aussage liefert, definieren Mencke & Tegtmeyer mehrere Kriterien: Mit dem Gerät sollte nur an einem klaren Tag gemessen werden. Das Modul soll senkrecht zur Sonne stehen, und die Einstrahlung muss mindestens 800 W/m²
betragen. Auch bei anderen Herstellern gibt es Auflagen, wie das Gerät optimal genutzt wird. „Viele nehmen das Handbuch gar nicht zur Hand“, weiß Klaus Schulte von PV Engineering aus den Anfragen, die sein Unternehmen erreichen. „Da gibt es dann prinzipielle Fehler in der Messung.“
Klaus Kiefer vom Fraunhofer ISE rät dazu, die Module vor der Messung zu reinigen. Dies klingt sinnvoll, denn immerhin kommen in der Produktion auch nagelneue Module unter den Flasher und keine Module, die monate- oder jahrelang Regen, Schnee, Staub und Vogelkot ausgesetzt waren.


Ein Kennlinienmessgerät erfasst die Kenndaten unter realen Bedingungen. Über eine Software rechnet das Gerät die Werte auf Standardtestbedingungen um…


…nur so kann der Anwender seine Daten mit den Herstellerangaben vergleichen.

Handlungsbedarf interpretierbar

Stellt sich die Frage, wie man die Ergebnisse des Kennlinienmessgerätes interpretiert und wann Handlungsbedarf besteht. Dies ergibt sich aus der Leistungstoleranz, die der Hersteller für seine Module angibt, und der Toleranz des Messgerätebauers. Angenommen, bei einem Modul behält sich der Hersteller eine Toleranz von +/-3% vor. Dazu addiert der Nutzer die mögliche Ungenauigkeit des Kennlinienmessgerätes, die in den Datenblätter steht.
Bei dem Messgerät von Mencke & Tegtmeyer liegt die Toleranz beispielsweise bei 3,5%. Dirk Tegtmeyer weist jedoch darauf hin, dass dieser Wert nur gilt, wenn die vorgeschriebenen Randbedingungen wie ein klarer Himmel eingehalten werden. Hat der Anwender diesen Zeitpunkt nicht abgewartet, kann die Abweichung deutlich steigen. Auf Strangebene können weiterhin Abweichungen durch die Folgen von Mismatching entstehen. Dies heißt, dass das schwächste Modul die Leistung des ganzen Stranges bestimmt. Auf Modulebene ist dies natürlich nicht relevant.
Um die möglichen Mängelursachen in einem Modul zu finden, kann der Handwerker im zweiten Schritt auf eine Thermografiekamera oder sogar auf eine Elektrolumineszenzkamera zurückgreifen. Doch die liegen in ihren Anschaffungskosten noch höher, sodass Installateure diese wohl noch seltener als ein Kennlinienmessgerät im Unternehmen haben.
Ab wann ein Installateur detaillierte Analysen veranlassen sollte, lässt sich laut Hersteller nicht pauschal sagen. Denn schon die Toleranzen der Messgerätehersteller weichen voneinander ab. Bei PV-Engineering liegt sie bei 5%. Dirk Tegtmeyer meint, dass ein Handwerker, der mit seinen Geräten eine Abweichung von 8% misst, damit kaum eine Chance vor einem Gericht haben würde. „Da kommt dann ein anderer und misst ein ganz anderes Ergebnis“, sagt er. Für einen Hersteller klingt dies erstaunlich, dafür schlägt ein Anwender eine Bresche für die Geräte. Solargutachter Christian Keilholz aus Oberbergkirchen nutzt in seiner Arbeit ein professionelles Kennlinienmessgerät eines der oben genannten Hersteller. Mit diesem Gerät und ähnlichen in der gleichen Klasse erziele man unter Beachtung der Randbedingungen Messunsicherheiten von +/-5%, berichtet er und ist damit durchaus zufrieden. „Die Messergebnisse wurden wiederholt erfolgreich bei Gerichts- und Privatgutachten präsentiert.“ Bei Unstimmigkeiten könne man immer noch Modulmessungen von einem Prüfinstitut beauftragen.

 


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