DE102007045830A1

DE102007045830A1 - Verfahren und Apparatur zur Überprüfung elektrisch verbundener Solarzellen

Info

Publication number: DE102007045830A1
Application number: DE102007045830A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zur gleichzeitigen Überprüfung einer Anordnung von mehreren elektrisch verbundenen Solarzellen, wie z. B. Solarpanels (5) in verschiedenen Stadien der Fertigung oder bestimmungsgemäß eingesetzter Solarpanels (5) bzw. größere Verschaltungen von Solarpanels (5) in Solaranlagen. Erfindungsgemäß wird das an sich bekannte Elektrolumineszenzverfahren spezifisch verwendet. An die Anordnung wird eine Reversspannung angelegt. Die Reversspannung ist so hoch gewählt, dass die Solarzellen Licht emittieren, jedoch nicht durch die angelegte Spannung beschädigt werden. Das von der Anordnung emittierte Licht wird mit einer Kamera (3) aufgenommen. Anhand des Kamerabildes kann beurteilt werden, ob die Anordnung funktionsstüchtig ist. Außerdem sind auf dem Bild sofort defekte oder schlecht kontaktierte Zellen sowie Verdrahtungsfehler lokalisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einer Apparatur zur gleichzeitigen Überprüfung einer Anordnung von mehreren elektrisch verbundenen Solarzellen, wie z. B. Solarpanels, in verschiedenen Stadien der Fertigung oder von Solarpanels in Solaranlagen. Mit dem Verfahren kann nicht nur die Funktionsfähigkeit der Anordnung festgestellt, sondern darüber hinaus können auch fehlerhafte Komponenten schnell lokalisiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere Methoden zur Überprüfung von Solarzellen und Solarmodulen bekannt.
Bei der EMF- bzw. Dunkelstrommessung wird die Strom-/Spannungskennlinie der Solarzelle/des Solarmoduls bei Beleuchtung (Konstantlichtquelle oder Blitz) bzw. bei Abdunklung aufgenommen. Aus der Kennlinie kann auf die Funktion und den Wirkungsgrad der Zelle geschlossen werden. Eine räumliche Auflösung, d. h. eine Fehlerlokalisation, ist jedoch nicht möglich.
Zur Fehlerlokalisation wird üblicherweise die sogenannte Thermographie verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Solarzelle bzw. die Verschaltungen kurzgeschlossen und gleichzeitig mit Licht bestrahlt (Sonne oder Konstantlichtquelle). Fehlerhafte Zellen erwärmen sich dabei sehr stark und können mit Hilfe von Infrarotaufnahmen, die üblicherweise von der Rückseite der Solarzellen aufgenommen werden, lokalisiert werden.
Mit der Thermographie können Verdrahtungsfehler häufig nicht festgestellt werden. Nachteilig ist auch, dass für die Messung eine längere Zeit benötigt wird, da die von den defekten Elementen in erzeugte Wärme erst eine Erwärmung der Rückseite bewirken muss. Durch eine Wärmeumverteilung wird die Messung überdies relativ ungenau.
Des Weiteren ist die sogenannte Elektrolumineszenzmessung zur Charakterisierung von einzelnen Solarzellen bekannt. Die Solarzelle wird im Reversbetrieb als Leuchtdiode betrieben. Aus einer Analyse des emittierten Lichts werden technische Para meter der Solarzelle, wie z. B. die Diffusionslängen von Elektronen und Löchern, ermittelt.
Bei der Herstellung von Solarzellen werden üblicherweise nur optische Kontrollen der Solarzellen (Risse etc.) und der Verdrahtung sowie Dunkelstrommessungen und EMF-Messungen als Endkontrolle durchgeführt. Fehler werden oft erst bei der Endkontrolle bemerkt. Da die Solarmodule dort bereits laminiert sind, müssen oft komplette Solarmodule aufgrund einer einzigen defekten Solarzelle bzw. eines Verdrahtungsfehler verworfen werden. Nachteilig ist auch, dass Solarmodule, bei denen die Gefahr eines Frühausfalls besteht, nicht sicher erkannt werden.
Die Überprüfung und Fehlerlokalisation in Solaranlagen erfolgt üblicherweise entweder durch elektrisches Ausmessen oder durch Thermographiemessungen. Bei komplexen Anlagen sind beide Verfahren vergleichsweise mühsam und aufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen werden, mit dem schnell und unkompliziert Anordnungen von mehreren elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen einerseits auf Funktionsfähigkeit überprüft und anderseits Fehler in den Anordnungen lokalisiert werden können. Das Verfahren und die Anordnung sollen sowohl in der Fertigung von Solarmodulen als auch für die Endabnahme und Überprüfung von bestehenden Solaranlagen anwendbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst; vorteilhafte Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
Nach Maßgabe der Erfindung wird das an sich bekannte Elektrolumineszenzverfahren für die gleichzeitige Überprüfung der Funktionsfähigkeit sowie zur Lokalisierung von Fehlern in einer Anordnung von mehreren elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen spezifiziert verwendet. Hierfür wird an die Anordnung eine Reversspannung angelegt. Die Reversspannung ist so hoch gewählt, dass die Solarzellen Licht emittieren, jedoch nicht durch die angelegte Spannung beschädigt werden. Bei den üblicherweise verwendeten Siliziumssolarzellen beträgt die Spannung, die an eine einzelne Zelle angelegt werden muss, ca. 1 V. Die an eine Anordnung anzulegende Spannung wird dadurch ermittelt, dass der Spannungswert mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen multipliziert wird.
Das von der Anordnung emittierte Licht wird mit einer Kamera, die im Bereich der Wellenlänge des emittierten Lichts sensitiv ist, ermittelt. Silizium-Solarzellen emittieren Licht mit einer Wellenlänge, die im Bereich von 1100 Nm liegt. Zur Aufnahme des Bildes wird die Anordnung entweder gegenüber sichtbarem Licht abgeschattet oder alternativ dazu eine Kamera mit hoher Selektivität, d. h. geringer Empfindlichkeit im sichtbaren Lichtbereich, verwendet. Die Kammer hat eine so große Auflösung, dass mit ihr die Fehler gut erkannt werden können.
Anhand des Kamerabildes, das vorzugsweise direkt auf einem Rechner oder Monitor dargestellt wird, kann problemlos beurteilt werden, ob die Anordnung funktionstüchtig ist. Außerdem sind auf dem Bild sofort defekte oder schlecht kontaktierte Zellen lokalisierbar.
Das Verfahren kann in der Fertigung von Solarmodulen während des Verdrahtens von Solarmodulen, zur Überprüfung und Lokalisierung von Fehlern in fertig verdrahteten, jedoch noch nicht laminierten Solarmodulen und zur Endkontrolle von laminierten Solarmodulen verwendet werden.
Der Einsatz des Verfahrens vor dem Laminieren ermöglicht es, im Vorfeld einzelne defekte Solarzellen zu tauschen oder Verdrahtungsfehler zu beheben, wodurch der sonst unvermeidliche Verwurf eines kompletten Solarmoduls vermieden wird. Vorteilhaft ist auch, dass defekte Solarzellen genau benannt und beim Solarzellenhersteller umgetauscht und reklamiert werden können.
Bei der Endkontrolle kann die Leistungsfähigkeit des Solarmoduls anhand der Leistungsfähigkeit der einzelnen Solarzellen, d. h. wesentlich differenzierter als mit der sonst üblichen EMF-Messung vorgenommen werden. Damit können auch Solarmodule, bei denen ein Frühausfall wahrscheinlich ist, aussortiert werden, wodurch die Zuverlässigkeit der ausgelieferten Solarmodule erhöht wird.
Das Verfahren ist außerdem zur Überprüfung von Solaranlagen bei Endabnahmen, bei Serviceeinsätzen infolge von Leistungsverlust bzw. Ausfall oder bei Leistungskontrollen geeignet. Mit dem Verfahren können fehlerhafte Module und Verdrahtungsfehler schnell lokalisiert werden.
Dazu werden die Solarmodule vom Wechselrichter getrennt und an diese eine inverse Spannung angelegt, deren Höhe wie oben beschrieben ermittelt wird. Mit Hilfe einer Kamera wird die von einem einzelnen Solarmodul bzw. die von einer Anordnung mehrerer Solarmodule emittierte Strahlung aufgenommen. Anhand des Kamerabildes kann einerseits die Funktionsfähigkeit der Anlage, andererseits die Lage von Fehlern in der Anlage ermittelt werden. Treten innerhalb der Solarmodule Bereiche auf, wie schwach oder gar nicht emittieren, so liegt ein Defekt im Solarmoduls vor. Imitiert ein komplettes Solarmoduls schwach oder gar nicht, so ist üblicherweise der Fehler in der Verdrahtung oder in der Peripherie (z. B. Schutzdioden) zu finden.
Um den Einfluss des Tageslichtes auf die Bilder zu verringern, werden die Kamerabilder bevorzugt bei Dunkelheit oder bei abgeschatteten Zellen aufgenommen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer Kamera, mit einer selektiven Empfindlichkeit im Bereich des von den Zellen emittierten Lichts (ca. 1100 nm; Infrarot).
Zur Überprüfung von Solaranlagen, bei denen die Solarmodule auf Dächern oder hohen Trägergestellen montiert sind, wird die Kamera bevorzugt am Ende eines langen Stabes bzw. Teleskopstabes befestigt. Mit dieser Anordnung, kann die Kamera, nach Anlegen der inversen Spannung, problemlos in eine günstige Aufnahmeposition gebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert; hierzu zeigt:
1: Prüfplatz in perspektivischer Darstellung,
2: Prüfplatz in Seitenansicht,
3: Prüfplatz in Draufsicht.
Der in den 1 bis 3 dargestellte Prüfplatz wird durch einen Erweiterungsumbau von bereits bestehenden Dunkelfeld- oder EMF-Messplätzen hergestellt. Dazu wird der üblicherweise vorhandene Ablagetisch durch eine Lichtschutzbox 1 ersetzt, an deren Oberseite sich eine transparente Glasplatte 2 befindet. An allen anderen Stellen ist die Lichtschutzbox 1 lichtdicht. Auf dem Boden der Lichtschutzbox 1 ist eine CCD-Kamera 3 angebracht, die auf die Glasplatte 2 gerichtet ist. Der ursprüngliche Messplatz muss außerdem noch um eine Abdeckung 4, die dem Abschatten des Solarpanels 5 zum Schutz vor direktem Licht dient, und um ein Netzgerät 6 zum Anlegen einer Reversspannung erweitert werden.
Nach Beendigung der Dunkelfeld- bzw. EMF-Messung eines Solarpanels, bei der die Solarpanels üblicherweise mit der Vorderseite nach oben aus dem Ablagetisch liegen, wird dieses mit der Vorderseite nach unten auf die Glasplatte 2 gelegt. Mithilfe des Netzteils 6 wird über die Kabelverbindungen 7 eine Reversspannung an das Solarpanel 5 angelegt, das von dem Solarpanel 5 emittierte Licht mit der CCD-Kamera 3 aufgenommen und das Kamerabild auf den Monitor 8 übertragen. Die Anzahl und die Größe von nicht oder nur schwach emittierenden Bereichen des Solarpanels 5 wird zur Entscheidung, ob das Solarpanel 5 als funktionstüchtig eingestuft wird, verwendet. Anhand des Kamerabildes können zudem fehlerhafte Solarzellen und Verdrahtungsfehler lokalisiert und ggf. behoben werden.
Üblicherweise verfügen Dunkelfeld- und EMF-Messplätzen bereits über Kabelverbindungen und über ein Computersystem, die für die zusätzliche Elektrolumineszenzmessung mitverwendet werden können. Nach der Dunkelfeld- bzw. EMF-Messung werden in den meisten Fertigungslinien die Solarpanels herumgedreht und auf der Rückseite beschriftet. Währenddessen kann die Elektrolumineszenzmessung ohne Zeitverlust durchgeführt werden.

1: Lichtschutzbox
2: Glasplatte
3: CCD-Kamera
4: Abdeckung
5: Solarpanel
6: Netzteil
7: Kabelverbindungen
8: Monitor

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit und Lokalisierung von Fehlern einer Anordnung von mehreren elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen, namentlich Solarpanels, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Überprüfung das Elektrolumineszenzverfahren verwendet wird, indem an die Anordnung eine Reversspannung angelegt wird, die so hoch ist, dass die Solarzellen Licht emittieren, jedoch durch die Spannung nicht beschädigt werden, und das von der gesamten Anordnung emittierte Licht mit Hilfe einer Kamera (3), die sensitiv im von den Solarzellen emittierten Wellenlängenbereich ist, erfasst und gleichzeitig die Funktionsfähigkeit der gesamten Anordnung sowie die Position von fehlerhaften Zellen bzw. Verdrahtungen anhand des Kammerabbildes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Überprüfung und Lokalisierung von Fehlern während des Verdrahtens der Solarpanels (5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Überprüfung und Lokalisierung von Fehlern in fertig verdrahteten, jedoch noch nicht laminierten Solarpanels (5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Endkontrolle von laminierten Solarpanels (5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Überprüfung von und zur Fehlerlokalisierung in Solaranlagen bei der Endabnahme oder bei Serviceeinsätzen verwendet wird.
Apparatur zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in bereits bestehenden Dunkelfeld- oder EMF-Messplätzen der Ablagetisch für die Solarpanels durch eine Lichtschutzbox (1) ersetzt ist, an deren Oberseite sich eine transparente Glasplatte (2) befindet, wobei sich auf dem Boden der Lichtschutzbox eine CCD-Kamera (3) befindet, die auf die Glasplatte (2) gerichtet ist, und der Messplatz um eine Abdeckung (4), die dem Schutz des zu prüfenden Solarpanels (5) vor direktem Licht dient, und um ein Netzgerät 6 zum Anlegen einer Reversspannung an das Solarpanel (5) erweitert ist.