DE10112933A1

DE10112933A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der effektiven Serienwiderstände in photovoltaischen Energieerzeugungssystemen

Info

Publication number: DE10112933A1
Application number: DE10112933A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Westphal
Original assignee: WESTPHAL KLAUS DIETER
Current assignee: WESTPHAL KLAUS DIETER
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2001-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der effektiven Serienwiderstände in photovoltaischen Energieerzeugungssystemen. DOLLAR A Das neue Verfahren soll es ermöglichen, während der Fertigung und des Anlagenbetriebes bei dunklen und bestrahlten Energieerzeugungssystemen Bauelemente zu ermitteln, bei denen die effektiven Serienwiderstände einen Grenzwert überschreiten. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch die Messung der niederfrequenten Flankensteilheit der Resonanzkurve eines als Leitungsdiskontinuität geschalteten Energieerzeugungssystems bzw. durch die Messung Bandbreite der Autokorrelationsfunktion der Rauschleistung eines stromdurchflossenen Systems. DOLLAR A Mit einem Trainingssystem werden die Grenzwerte, Fehlerursachen und Fehlerorte als Funktion des effektiven Serienwiderstandes zur Klassenbildung ermittelt. DOLLAR A Bei der Klassenbildung werden neben den Flankensteilheiten der Resonanzkurven auch die Kennwerte der Struktur und Art des Systems sowie die unter Standardbedingungen gemessenen Stromstärken, Spannungen und Leistungen verwendet. DOLLAR A Die so ermittelten Eingangsdaten dienen der Parametrisierung des Erkennungssystems zur Lösung von Klassifikationsaufgaben. DOLLAR A Die Ergebnisse dienen der Entscheidungsfindung über die Weiterverarbeitung von Solar-Zellen, deren Verbindung zu Strängen bzw. Modulen, deren Nachkontaktierung, den Einsatz eines Moduls in der Anlage, der Freigabe der Anlagennutzung sowie zur Fehlererkennung bzw. Fehlerlokalisierung bei der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der effektiven Serienwiderstände in photovoltaischen Energieerzeugungssystemen. Es ist bekannt, dass die Leistung und die Zuverlässigkeit der photovoltaischen Energieerzeugungssysteme bei gegebener Einstrahlung durch Verluste in den Serienwiderständen der Anordnung verringert werden.

Nach dem Stand der Technik werden die Serienwiderstände in Solarzellen durch Kennlinienmessungen bestimmt. Unter standardisierten Strahlungsbedingungen werden bei unterschiedlichen Lasten sowie Betriebszuständen die Ströme, Spannungen und Leistungen von photovoltaischen Energieerzeugungssystemen gemessen. Im Netzbetrieb werden Module und Anlagen durch die Messung der eingespeisten Energie überwacht. Es ist kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, mit welcher auf direktem Wege der effektive Serienwiderstand von photovoltaischen Energieerzeugungssystemen bestimmt werden kann. Die Unkenntnis des effektiven Serienwiderstandes beeinflusst den Anlagenbetrieb ganz wesentlich, da keine Vorgaben hinsichtlich Leistung sowie Zuverlässigkeit gemacht werden können, was je nach Betriebsbedingungen zum Ausfall von Baugruppen führen kann und somit ein Risiko für die Anlagenverfügbarkeit darstellt. Für die einzelnen Untersuchungsgegenstände werden zeitaufwendige verschiedenartige Methoden und Verfahren eingesetzt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der effektiven Serienwiderstände sowie ihrer fehlerhaften Vergrößerung in photovoltaischen Energieerzeugungssystemen zu schaffen, um insbesondere die effektiven Serienwiderstände von photovoltaischen Energieerzeugungssysteme innerhalb der Taktzeiten der Fertigung, vor dem Laminieren und während des Anlagenbetriebes ermitteln zu können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Fehlerort, die Fehlerart und die Fehlerur sache zu ermitteln und somit die Voraussetzungen zur Verringerung der effektiven Serienwiderstände zu schaffen.

Die genannten Aufgaben werden durch die Merkmale des Verfahrens im Patentanspruch 1 und die Merkmale der Vorrichtung im Patentanspruch 4 gelöst. Die Ansprüche 2 und 3 stellen zweckmäßige Ausgestaltungen des Anspruchs 1 dar.

Die Lösung des Problems dient mit der Bildung der Auswahlgröße "effektiver Serienwiderstand" zur Entscheidungsfindung über die Weiterverarbeitung von photovolta ischen Bauelementen, deren Verbindung zu Strängen bzw. Modulen, deren Nachkontak tierung, den Einsatz eines Moduls in der Anlage, die Freigabe der Anlagennutzung sowie der Fehlererkennung bzw. Fehlerlokalisierung bei der Instandhaltung.

Die in den Patentansprüchen angegebene Lösung der Probleme betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen aus der Resonanzkurve eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems der effektive Serienwiderstand ermittelt wird. Das erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, dass der effektive Serienwiderstand aus der Flankensteilheit des niederfrequenten Teils der Resonanzkurve des als Leitungsdiskontinuität geschalteten photovoltaischen Energieerzeugungssystems ermittelt wird. Eine ändere Möglichkeit ist, dass aus dar Bandbreite der Autokorrelationsfunktion der Rauschleistung eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems der effektive Serienwiderstand bestimmt wird. Die Datenauswertung erfolgt mit einem Verarbeitungssystem aus den Modulen Trainingssystem und Echtzeiterkennung.

Die praktische Anwendung der Erfindung erfolgt

- durch eine Verfahren, bei dem der effektive Serienwiderstand aus der Flankensteilheit des niederfrequenten Teils der Resonanzkurve eines als Leitungsdiskontinuität geschalteten dunklen und spannungsfreien photovoltaischen Energieerzeugungssystems ermittelt wird, und durch Datenauswertung mit einem Verarbeitungssystem aus den Modulen Trainingssystem und Echtzeiterkennung durch Lernen aus Beispielen;
- oder durch ein Verfahren, bei dem aus der Resonanzkurve eines bestrahlten und mit einer periodisch durchgestimmten Hochfrequenzleistung beaufschlagten photovoltaischen Energieerzeugungssystems der effektive Serienwiderstand ermittelt wird, und durch Datenauswertung mit einem Verarbeitungssystem aus den Modulen Trainingssystem und Echtzeiterkennung durch Lernen aus Beispielen;
- oder durch ein Verfahren, bei dem aus der Bandbreite der Autokorrelationsfunktion der Rauschleistung eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems der effektive Serienwiderstand bestimmt wird, und durch Datenauswertung mit einem Verarbeitungs system aus den Modulen Trainingssystem und Echtzeiterkennung durch Lernen aus Beispielen.

Der im photovoltaischen Bauelement entstehende Rauschstrom I_R kann durch einen äquivalenten Rauschwiderstand R_ä beschrieben werden. Das mittlere Rausch-Stromquadrat I_R ² ist dann

I_R ² = (4.k.T₀.Δ)/R_ä.

Wird das Rauschen durch einen Resonanzkreis der Bandbreite B gefiltert, so regt das Rauschen Resonanzschwingungen an. Die daraus resultierende Autokorrelationsfunktion hat eine Bandbreite die der Güte des Resonanzkreises Q umgekehrt proportional ist.

Die praktische Anwendung der Erfindung erfolgt

- durch eine Vorrichtung, bei der - zusätzlich zu der üblichen Anordnung für Kennlinien- Messungen - das dunkle und spannungsfreie photovoltaische Energieerzeugungssystem über das T-Stück einer Koaxialleitung als Leitungsdiskontinuität zur Messung der Resonanzkurve zwischen einem vom Rechner gesteuerten wobbelbaren Funktionsgene rator und einem Oszillographen angeordnet ist;
- oder durch eine Vorrichtung, bei der das dunkle und spannungsfreie photovoltaische Energieerzeugungssystem über das T-Stück einer Koaxialleitung als Leitungsdiskontinuität zwischen einem vom Rechner gesteuerten wobbelbaren Funktionsgenerator und einem Rechner mit einer A/D-Wandler-Karte sowie einem Signalsteuerungs- und Auswertungs- Programm angeordnet ist;
- oder durch eine Vorrichtung, bei der die Spannung des bestrahlten photovoltaischen Energieerzeugungssystems über eine Richtungsleitung mit einem vom Rechner gesteuerten wobbelbaren Funktionsgenerator bei galvanischer Trennung moduliert wird. Mit einer lose angekoppelten Leitung; Sonde oder Antenne wird die Resonanzkurve des Schwingkreises des Energieerzeugungssystems aufgenommen und einer Empfangsschaltung, die vorzugsweise in einem Rechner mit einer A/D-Wandler-Karte sowie einem Signalsteuerungs- und Auswertungs-Programm angeordnet ist, zugeführt. Bei ausreichend niedrigen Verlusten arbeitet das System als Oszillator, so dass die Modulation durch den Funktionsgenerator entfallen kann;
- mit einem Trainingssystem, bei dem für den Vergleich der Kennwerte - neben den Kennwerten der Struktur und Art des Energieerzeugungssystems sowie den unter Standardbedingungen gemessenen Kennwerten Stromstärke, Spannung und Leistung - die frequenzabhängigen Dämpfungen und Flankensteilheiten der Resonanzkurven bzw. deren Güten oder die äquivalenten Rauschwiderstände zur Klassenbildung der effektiven Serienwiderstände ermittelt werden.

Die so ermittelten Eingangsdaten werden zur Parametrisierung und zur Lösung von Klassifikationsaufgaben beim Merkmalsvergleich im Erkennungssystem verwendet. Die Ergebnisse dienert der Entscheidungsfindung über die Weiterverarbeitung von Solar- Zellen, deren Verbindung zu Strängen bzw. Modulen, deren Nachkontaktierung, den Einsatz eines Moduls in der Anlage, der Freigabe zur Anlagennutzung sowie zur Fehlererkennung bzw. Fehlerlokalisierung bei der Instandhaltung. Die Ergebnisse des Vergleichs dienen der Einordnung in Qualitätsgruppen bzw. der Reparatur oder Auswechslung ungeeigneter Bauelemente.

Das anmeldungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in photovoltaischen Energieerzeugungs systemen Bauelemente mit zu hohen effektiven Serienwiderständen zu finden und zu reparieren bzw. zu ersetzen. Durch die Ermittlung des mangelhaften Leitungsstranges und des Fehlerortes ist es möglich, eine Reparatur, z. B. mittels eines selektiven Erwärmungs prozesses, eine Nachkontaktierung oder eine Auswechslung durchzuführen.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt vorwiegend bei der Prozesskontrolle in der Bauelemente- und Modul-Produktion. Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Anlagen-Installation, die Anlagen- Überwachung und die Anlagen-Instandhaltung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere bei unbeleuchteten Energieerzeugungssystemen vor dem Laminieren in der Erkennung von mangelhaften Anordnungen, der damit möglichen Mängelbeseitigung und Senkung der Lebensdauer kosten sowie der Erhöhung der Anlagen-Verfügbarkeit.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur Messung der Resonanzkurve eines Moduls mit einem Oszillographen;

Fig. 2 eine Anordnung zur Messung der Resonanzkurve eines Moduls mit einer A/D- Wandler-Karte und Rechner;

Fig. 3 eine Anordnung zur Messung der Resonanzkurve eines bestrahlten Moduls;

Fig. 4 die Resonanzkurve eines Moduls;

Fig. 5 das Ersatzschaltbild eines Moduls.

Fig. 1 zeigt die Anordnung zur Messung Resonanzkurve eines Moduls 1. An das Modul 1 ist über ein koaxiales T-Stück 2 sowie Koaxialleitungen 3 ein vom Rechner 6 gesteuerter wobbelbarer Funktionsgenerator 4 und ein Oszillograph 5 angeschlossen. Der Rechner 6 steuert mit dem Signalsteuerungs- und Auswerte-Programm 7 den Wobbelbereich des Funktionsgenerators 4 über die Leitungen 8 und 9. An dem Modul 1 ist der Temperatursensor 10 angeordnet und an einen Kanal des Oszillographen 5 angeschlossen.

Fig. 2 zeigt die Anordnung zur Messung Resonanzkurve eines Moduls 1, bei der das Empfangssignal über eine A/D-Wandler-Karte 11 mit einer Schnittstelle 12 einem Rechner 13 mit einem Signalsteuerungs- und Auswerteprogramm 7 zugeführt wird. An den Koaxial- Anschluss des Moduls 1 ist über ein koaxiales T-Stück 2 und Koaxialleitungen 3 der vom Rechner 13 gesteuerte wobbelbare Funktionsgenerator 4 und die A/D-Wandler-Karte 11 angeschlossen. Der Rechner 13 steuert mit Hilfe eines Auswerte- und Steuerprogramms 7 über die Schnittstelle 12, die A/D-Wandler-Karte 11 und die Leitung 8 den Wobbelbereich des Funktionsgenerators 4. Die obere Grenzfrequenz der A/D-Wandler-Karte 11 ist für die Erfassung der gesamten Resonanzkurve zu niedrig. Der Serienwiderstand wird aus diesem Grund mit dem Signalsteuerungs- und Auswerte-Programm 7 aus der Flankensteilheit des niederfrequenten Teils der Resonanzkurve ermittelt.

In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das Modul 1 und der Strahlungsdetektor 14 mit der Strahlungsquelle 15 betrieben werden. Mit Hilfe des Signalsteuerungs- und Auswerte-Programms 7 des Rechners 13 wird über die Leitung 8 die periodische Frequenzänderung des Funktionsgenerators 4 gesteuert. Das Signal des wobbelbaren Funktionsgenerators 4 wird über die Richtungsleitung 16 dem Modul 1 und einem Eingang der A/D-Wandler-Karte 11 zugeführt. Mit einer lose angekoppelten Leitung, Sonde oder Antenne 17 wird die Resonanzkurve des Moduls aufgenommen und einer Empfangsschaltung, die vorzugsweise in einem Rechner 13 mit einer A/D-Wandler-Karte 11 sowie einem Signalsteuerungs- und Auswertungs-Programm 7 angeordnet ist, zugeführt. Das Modul 1 ist durch das Schaltelement 18 galvanisch vom wobbelbaren Funktionsgenerator 4 und der A/D-Wandler-Karte 11 getrennt. Das Signal des Gleichstrom- Leistungsmessers 19 wird einem Eingang der A/D-Wandler-Karte 11 zugeführt.

In Fig. 4 ist die Resonanzkurve eines Moduls 1 dargestellt. Zufolge des in Fig. 5 dargestellten Ersatzschaltbildes stellen photovoltaische Energieerzeugungssysteme Schwingkreise dar. Charakteristische Größen eines Schwingkreisen sind die Resonanzfrequenz f₀, die Güte Q und die Koppelfaktoren k. Die Resonanzfrequenz eines einzelnen Schwingkreise ist f₀ = 1/(2.π.√L.C). Die unbelastete Güte eines Resonanzkreises wird Q_U = f₀/(2.Δf).

Die belastete Güte Q_L = Q_U/(1+Σk) ist der Dämpfung d des Kreises umgekehrt proportional. Die Dämpfung beschreibt das Verhältnis der in einer Periode in Wärme umgesetzten Energie zu der im Schwingkreis gespeicherten Energie.

Die Dämpfung d des Schwingkreises ist dem Energieverlust im Serienwiderstand R_S und der 3 dB-Bandbreite (2.Δf) direkt proportional.

In Fig. 5 wird das Hochfrequenz-Ersatzschaltbild des Moduls 1 mit den Schaltelementen effektiver Serienwiderstand 20, Leitungsinduktivität 21, Parallelwiderstand 22, Diode 23, Kapazität 24, Diffusionswiderstand 25 und Diffusionskapazität 26 dargestellt.

Bezugszeichenliste

1

Modul

2

koaxiales T-Stück

3

Koaxialeitung

4

wobbelbarer Funktionsgenerator

5

Oszillograph

6

Rechner oder Personal-Computer

7

Signalsteuerungs- und Auswertungs-Programm

8

Leitung

9

Leitung

10

Temperatursensor

11

A/D-Wandler-Karte

12

Schnittstelle

13

Rechner

14

Strahlungsdetektor

15

Strahlungsquelle

16

Richtungsleitung

17

Sonde oder Antenne

18

galvanische Trennung der Leitung

19

Gleichstrom-Leistungsmesser

20

effektiver Serienwiderstand

21

Leitungsinduktivität

22

Parallelwiderstand

23

Diode

24

Kapazität

25

Diffusionswiderstand

26

Diffusionskapazität

Claims

1. Verfahren zum Messen der effektiven Serienwiderstände von photovoltaischen Energieerzeugungssystemen, bei denen neben den auf die Standardbedingungen bezogenen charakteristischen Merkmalen Leistung, Strom und Spannung - zusätzliche Kennwerte ermittelt werden, wobei

- der effektive Serienwiderstand aus der Resonanzkurve des als Leitungsdiskontinuität geschalteten photovoltaischen Energieerzeugungssystems ermittelt wird;
- der so erhaltene Widerstandswert einem Verarbeitungssystem zugeführt wird, welches aus den Modulen Trainingssystem und Echtzeitsystem besteht, bearbeitet und einer statistischen Auswertung unterzogen sowie Klassen zugeordnet werden;
- in der Klassifizierungsphase die charakteristischen Merkmale der Struktur, der Art des Bauelementes sowie der charakteristischen Kennwerte mit Wichtungsfaktoren multipliziert und zur Klassifizierung als Eingangsdaten für die Grenzwertbildung zu den auf die Betriebsbedingungen bezogenen effektiven Serienwiderständen verwendet werden;
- die in der Klassifizierungsphase des Trainingsprozesses erhaltenen Kennwerte zur Entscheidungsfindung verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Serienwiderstand aus der Flankensteilheit des niederfrequenten Teils der Resonanzkurve des als Leitungsdiskontinuität geschalteten photovoltaischen Energieerzeugungssystems ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Serienwiderstand aus der Bandbreite der Autokorrelationsfunktion der Rauschleistung eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems bestimmt wird.

4. Vorrichtungen zum Messen des effektiven Serienwiderstandes in photovoltaischen Energieerzeugungssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass

- das photovoltaische Energieerzeugungssystem als Leitungsdiskontinuität zur Messung der Resonanzkurve zwischen einem vom Rechner gesteuerten wobbelbaren Funktionsgenerator und der Eingangsschaltung eines Rechners mit einem Signalsteuerungs- und Auswerte-Programm angeordnet ist;
- das bestrahlte System über eine Richtungsleitung und eine galvanische Trennung mit einem vom Rechner gesteuerten wobbelbaren Funktionsgenerator moduliert wird;
- mit einer lose angekoppelten Leitung, Sonde oder Antenne die Resonanzkurve des Schwingkreises des Energieerzeugungssystems aufgenommen und einer Empfangs schaltung, die vorzugsweise in einem Rechner mit einer A/D-Wandler-Karte sowie einem Signalsteuerungs- und Auswertungs-Programm angeordnet ist, zugeführt wird;
- mit einem Trainingssystem für den Vergleich der Kennwerte, beidem neben den Kennwerten der Struktur und Art des Energieerzeugungssystems sowie den unter Standardbedingungen gemessenen Kennwerten Stromstärke, Spannung und Leistung, die Resonanzkurve für die Ermittlung des effektiven Serienwiderstandes verwendet wird.