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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
© Fraunhofer ISE
4
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
© Fraunhofer ISE
5
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!!!!
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 6
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
© Fraunhofer ISE
7
Verfahren unter Einbeziehung des Solargenerators: Signalverfolgung (kapazitiv und induktiv, Staffelst. 1997)
© Fraunhofer ISE
8
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
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 11
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%
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 12
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
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 13
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
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 14
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
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 15
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?
03.04.2014 Nicolas Bogdanski, 3. Brandschutzworkshop 2014 16
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
© Fraunhofer ISE
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!