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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Dunkelkennlinie in Durchlassrichtung einer in einem Solar-Modul eingekapselten Solar-Zelle. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung der Dunkelkennlinie in Durchlassrichtung einer in einem Solar-Modul eingekapselten Solar-Zelle.
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Bekanntlich umfasst ein Solar-Modul bzw. Fotovoltaik-Modul mehrere Solar-Zellen bzw. fotovoltaische Zellen. Mit einer Solar-Zelle kann die im Licht enthaltene Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Solar-Zellen sind in dem Solar-Modul eingekapselt und entsprechend verschaltet.
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Die Bestimmung der Kennlinie einer einzelnen, verbauten Solar-Zelle ist äußerst aufwändig. Die Kontaktierung einer einzelnen, in einem Solar-Modul angeordneten Solar-Zelle ist nicht ohne Weiteres möglich. Auch aus der Kennlinien-Messung des gesamten Solar-Moduls lassen sich keine Aussagen über die Kennlinie einer einzelnen, interessierenden Solar-Zelle gewinnen. Eine Möglichkeit, die Dunkelkennlinie einer ausgewählten Solar-Zelle zu messen, ist die Freilegung der Anschluss-Kontakte der Solar-Zelle durch Öffnung des Solar-Moduls und durch Zerstörung der Solar-Modul-Kapselung. Aus der Dunkelkennlinie einer Solar-Zelle lässt sich dann u. a. deren Serienwiderstand ermitteln.
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Aus der
EP 1 840 541 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Solar-Zellen bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein kastenartiges Gehäuse und eine in dem Gehäuse untergebrachte Licht-Detektions-Einrichtung. Ferner hat die Vorrichtung eine Spannungs-Quelle, die mit den zu prüfenden Solar-Zellen elektrisch verbunden ist. Durch die Solar-Zellen wird in Durchlass-Richtung ein Strom geführt, sodass sämtliche Solar-Zellen Licht emittieren. Anhand der Emission-Intensität des emittierten Lichts wird der Zustand der Solar-Zellen beurteilt. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist, dass eine einzelne, in einem Solar-Modul verbaute Solar-Zelle nicht ohne weiteres geprüft werden kann.
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Aus der
JP 2008-026113 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen von Solar-Zellen bekannt. Ein Solar-Modul mit Solar-Zellen wird mittels einer Spannungs-Quelle mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Das dadurch von den Solar-Zellen emittierte Licht wird von einer Kamera detektiert. Wenn eine Solar-Zelle einen Defekt aufweist, unterscheidet sich ihre Luminanz-Intensität von der Luminanz-Intensität einer intakten Solar-Zelle. Auch mit dieser Vorrichtung kann nicht eine einzelne, in einem Solar-Modul verbaute Solar-Zelle ohne weiteres geprüft werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung bereitzustellen, mit der schnell und funktionssicher die Dunkelkennlinie einer in einem Solar-Modul eingekapselten Solar-Zelle ermittelt werden kann. Außerdem soll die Bestimmung der Dunkelkennlinie äußerst kostengünstig und zerstörungsfrei durchführbar sein. Ein entsprechendes Verfahren soll ebenfalls geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das gesamte Solar-Modul mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt bzw. bestromt wird, sodass die Solar-Zelle bzw. Solar-Zellen in dem Solar-Modul elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form von Licht, aussendet bzw. aussenden. Die emittierte elektromagnetische Strahlung einer Solar-Zelle wird dann detektiert. Aus den erhaltenen Strahlungs-Mess-Signalen, die repräsentativ zu der detektierten elektromagnetischen Strahlung sind, kann dann die Dunkelkennlinie dieser Solar-Zelle ermittelt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Ermittlung der Dunkelkennlinie einer in einem Solar-Modul eingekapselten Solar-Zelle.
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Wie bereits erwähnt, umfasst bekanntlich ein Solar-Modul mehrere Solar-Zellen, die miteinander verschaltet und in dem Solar-Modul eingekapselt sind. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Solar-Moduls 1. Gemäß 1 sind drei separate Solar-Zellen 2 vorgesehen, die beabstandet zueinander, nebeneinander angeordnet und in Reihe geschaltet sind. Das Solar-Modul 1 ist aus dem Stand der Technik bekannt und umfasst eine große Anzahl in Reihe geschalteter Solar-Zellen 2. Die Solar-Zellen 2 sind in dem Solar-Modul 1 ausschließlich in Reihe geschaltet. Alternativ kann auch ein Solar-Modul mit parallel geschalteten Solar-Zellen 2 vorgesehen sein. Die Solar-Zellen 2 sind dann in dem Solar-Modul ausschließlich parallel geschaltet.
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Die Solar-Zellen 2 sind in dem Solar-Modul 1 in einer transparenten Kunststoff-Schicht eingebettet, die aus Ethylenvinylazetat oder Silikongummi bestehen kann. Benachbart zu der Vorderseite bzw. zu der später einer Lichtquelle, beispielsweise der Sonne, zugewandten Seite der transparenten Kunststoff-Schicht ist eine äußere Glas-Scheibe angeordnet. Diese kann ein sogenanntes Einscheiben-Sicherheitsglas sein und schließt das Solar-Modul 1 vorne ab. Benachbart zu der Rückseite bzw. der später der Lichtquelle abgewandten Seite der Kunststoff-Schicht ist eine Rückseiten-Kaschierung in Form einer witterungsfesten Kunststoff-Verbund-Folie vorgesehen, die das Solar-Modul 1 rückseitig abschließt.
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Die Solar-Zellen 2 sind über metallische, elektrischen Strom leitende Strom-Leiter-Bahnen 3 elektrisch miteinander verbunden und in Reihe geschaltet. Mit den freien, zueinander benachbarten Enden der Strom-Leiter-Bahnen 3 ist jeweils eine Strom-Sammel-Schiene 4 elektrisch verbunden. Die Strom-Sammel-Schienen 4 verlaufen parallel zueinander und erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu den Strom-Leiter-Bahnen 3 benachbart zu Seiten-Rändern des Solar-Moduls 1. Die Strom-Leiter-Bahnen 3 und die Strom-Sammel-Schienen 4 sind Bestandteil des Solar-Moduls 1. Die Strom-Sammel-Schienen 4 sind elektrisch mit äußeren Anschlusskabeln des Solar-Moduls 1 verbunden.
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Die Solar-Zellen 2 sind über die Strom-Leiter-Bahnen 3 und die Strom-Sammel-Schienen 4 sowie die äußeren Anschlusskabel des Solar-Moduls 1 elektrisch mit einer Gleichspannungs-Quelle 5 und einem Strom-Messgerät 6 in Reihe geschaltet. Die Gleichspannungs-Quelle 5 erzeugt eine elektrische Spannung, deren Polarität gleichbleibend ist. Sie kann eine Batterie, ein Akkumulator oder ein Netz-Gerät sein. Die Gleichspannungs-Quelle 5 und das Strom-Messgerät 6 sind außerhalb des Solar-Moduls 1 angeordnet. Sie gehören nicht zu dem Solar-Modul 1 und können elektrisch an die äußeren Anschlusskabel lösbar angeschlossen werden.
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Das Solar-Modul 1 bzw. die in diesem eingebetteten Solar-Zellen 2 können über die externe Gleichspannungs-Quelle 5 mit einer elektrischen Spannung derart beaufschlagt werden, dass in sämtlichen Solar-Zellen 2 in dem Solar-Modul 1 Überschuss-Ladungsträger erzeugt werden, die zur Lumineszenz führen. Die Solar-Zellen 2 emittieren dann elektromagnetische Strahlung in Form von Licht.
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Zur Detektion der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist eine Detektions-Einrichtung 7 vorgesehen, die als Hand-Gerät oder als stationär installiertes Gerät ausgebildet ist. Die Detektions-Einrichtung 7 umfasst einen Strahlungs-Detektor 8 und einen Strahlungs-Abschirm-Körper 9. Der Strahlungs-Detektor 8, der in einem schützenden Gehäuse angeordnet ist, ist als Kamera, insbesondere als CCD-Kamera, ausgebildet. Die Kamera kann eine Zeilen- oder Matrixkamera sein. Sie kann einen CCD-Chip auf Siliziumbasis haben. Der CCD-Chip umfasst wiederum mehrere lichtempfindliche Elemente. Die von dem CCD-Chip erfasste elektromagnetische Strahlung wird in elektrische Ladung umgesetzt. Ein zur aufgenommenen Lichtmenge proportionales Strahlungs-Mess-Signal kann ausgegeben werden.
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Mit dem Gehäuse des Strahlungs-Detektors 8 ist der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 fluchtend verbunden. Die Verbindung kann lösbar oder unlösbar sein. Der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 befindet sich an der Seite des Strahlungs-Detektors 8, die zur Detektion der emittierten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen bzw. ausgebildet ist. Der Strahlungs-Detektor 8 bildet den Kopf-Bereich der Detektions-Einrichtung 7. Er ist in einem oberen Bereich der Detektions-Einrichtung 7 vorgesehen.
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Der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 ist rohrförmig und weist bevorzugt im Querschnitt die Form eines Vielecks auf. Er besitzt eine Längs-Mittel-Achse und hat über seine gesamte Höhe H einen konstanten Querschnitt. Der Mantel des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 ist vorzugsweise dünnwandig. Die Grundform des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 entspricht einem geraden Prisma. Gemäß 1 ist der hohle Strahlungs-Abschirmkörper 9 im Querschnitt viereckig ausgebildet. Andere Querschnitts-Formen des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 können ebenfalls vorgesehen sein. Ebenso ist ein sich zum Strahlungs-Detektor 8 hin verjüngender Querschnitt des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 möglich.
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Der Mantel des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 ist für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Licht, undurchlässig. Ein entsprechendes Material findet dafür Anwendung.
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Die Dimensionierung des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 richtet sich im Wesentlichen nach der Größe der zu messenden Solar-Zelle 2. Die Höhe H des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9, die sich in Richtung der Längs-Mittel-Achse des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 erstreckt, ist in Abhängigkeit des verwendeten Strahlungs-Detektors 8 zu wählen und liegt vorzugsweise zwischen 10 mm und 500 mm. Die senkrecht zu der Höhe H sich erstreckenden Innen-Abmessungen des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 entsprechen dagegen im Wesentlichen den entsprechenden ebenen Abmessungen, also Länge und Breite in der Solar-Modul-Ebene, der zu messenden Solar-Zelle 2. Vorzugsweise sind die Innen-Abmessungen des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 etwas größer als die ebenen Abmessungen der Solar-Zelle 2. Die innere Querschnitts-Fläche des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 ist – zumindest unten – insbesondere kongruent zur Fläche der zu messenden Solar-Zelle 2.
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Zur Prüfung der zu messenden Solar-Zelle 2 ist die Detektions-Einrichtung 7 auf die Vorderseite des Solar-Moduls 1 aufzusetzen. Dabei ist der freie, untere Rand 10 des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 auf die Glas-Scheibe des Solar-Moduls 1 vorderseitig aufzusetzen. Der freie Rand 10 ist ein ebener Aufsetz-Rand zur Abstützung der Detektions-Einrichtung 7. Der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 ist dann derart nach der zu messenden Solar-Zelle 2 auszurichten, dass der Aufsetz-Rand 10 die zu messende Solar-Zelle 2 umgibt und der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 die Solar-Zelle 2 gegenüber der Umgebung abschirmt. Die gesamte Solar-Zelle 2 kann dadurch geprüft werden.
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Für die im Solar-Modul 1 in Reihe geschalteten Solar-Zellen 2 gemäß 1 ist folgendes Vorgehen vorgesehen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung über die angeschlossene Gleichspannungs-Quelle 5 wird das gesamte Solar-Modul 1 bestromt. Die Stromstärke des durch das Solar-Modul 1 fließenden Stroms, die während einer einzelnen Messung konstant zu halten ist, sollte mindestens so groß sein, dass durch die Detektions-Einrichtung 7 ein die emittierte elektromagnetische Strahlung angebendes Strahlungs-Mess-Signal erzeugt werden kann. Insbesondere sollte die Stromstärke im Bereich von 0 A (kein Signal) bis zu dem etwa 1,5-fachen Wert der Kurzschluss-Stromstärke des Solar-Moduls 1 schrittweise variiert werden. Die Messung der elektromagnetischen Strahlung ergibt ein Strahlungs-Mess-Signal in Abhängigkeit von der eingestellten Stromstärke. Die Stromdichte des durch das Solar-Modul 1 fließenden Stroms beträgt 0 bis etwa 40 mA/cm2 in Durchlassrichtung. Da die Solar-Zellen 2 in Reihe geschaltet sind, fließt durch jede Solar-Zelle 2 der gleiche Strom. Dabei wird von allen Solar-Zellen 2 elektromagnetische Strahlung in Form von Licht emittiert. Die emittierte elektromagnetische Strahlung der ausgewählten Solar-Zelle 2 gelangt über den durch den Mantel des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 umschlossenen freien Innen-Raum des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 zu dem CCD-Chip des Strahlungs-Detektors 8. Die elektromagnetische Strahlung kann auf direktem Weg und auf indirektem Weg, also durch Reflexion an der Innen-Seite des Mantels des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9, zu dem CCD-Chip gelangen. Es kommt nur die von der ausgewählten Solar-Zelle 2 emittierte elektromagnetische Strahlung in die Detektions-Einrichtung 7, über der sich der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 befindet. Dies ist auf den Strahlungs-Abschirm-Körper 9 zurückzuführen, der die Detektion von weiterer elektromagnetischer Strahlung verhindert. Es kann wegen dem Strahlungs-Abschirm-Körper 9 also keine elektromagnetische Strahlung, beispielsweise von den anderen, nicht interessierenden Solar-Zellen 2, zu dem Strahlungs-Detektor 8 gelangen. Ein entsprechendes Strahlungs-Mess-Signal wird dann von dem Strahlungs-Detektor 8 ausgegeben. Dieses Strahlungs-Mess-Signal ist für die genau eine, bestimmte Solar-Zelle 2 charakteristisch.
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Das aufgenommene Strahlungs-Mess-Signal wird dann durch eine Referenz-Messung kalibriert. Dazu wird eine Referenz-Solar-Zelle auf die gleiche Art und Weise vermessen, deren Dunkelkennlinie bekannt ist. Die Referenz-Solar-Zelle ist in einem entsprechenden Referenz-Solar-Modul angeordnet. Mittels der Detektions-Einrichtung 7 wird ein Kalibrierungs-Mess-Signal detektiert, dem ein elektrisches Potential zugeordnet werden kann. Aus dem von der ausgewählten Solar-Zelle 2 aufgenommenen Strahlungs-Mess-Signal kann dann mittels einer Potential-Kalibrier-Kurve das elektrische Potential der gemessenen Solar-Zelle 2 errechnet werden. Aus diesem elektrischen Potential ergibt sich dann die Dunkelkennlinie dieser Solar-Zelle 2. Bei der bestimmten Dunkelkennlinie handelt es sich um die Dunkel-Vorwärts-Kennlinie der Solar-Zelle 2.
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Für in einem Solar-Modul parallel verschaltete Solar-Zellen 2 ist folgendes Vorgehen vorgesehen. Die Solar-Zellen 2 sind hier über die Strom-Leiter-Bahnen 3 und die Strom-Sammel-Schienen 4 elektrisch miteinander verbunden und parallel geschaltet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung über die angeschlossene Gleichspannungs-Quelle 5 wird das gesamte Solar-Modul bestromt. Die angelegte elektrische Spannung, die während einer einzelnen Messung konstant zu halten ist, sollte mindestens so groß sein, dass durch die Detektions-Einrichtung 7 ein die emittierte elektromagnetische Strahlung angebendes Strahlungs-Mess-Signal erzeugt werden kann. Insbesondere sollte die elektrische Spannung im Bereich von 0 V (kein Signal) bis zu dem etwa 1,5-fachen Wert der Leerlauf-Spannung des Solar-Moduls schrittweise variiert werden. Die Messung der elektromagnetischen Strahlung ergibt ein Strahlungs-Mess-Signal in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Da die Solar-Zellen 2 parallel geschaltet sind, liegt an jeder Solar-Zelle 2 die gleiche Spannung an. Dabei wird von allen Solar-Zellen 2 elektromagnetische Strahlung in Form von Licht emittiert. Die emittierte elektromagnetische Strahlung der ausgewählten Solar-Zelle 2 gelangt über den durch den Mantel des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 umschlossenen freien Innen-Raum des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9 zu dem CCD-Chip des Strahlungs-Detektors 8. Die elektromagnetische Strahlung kann auf direktem Weg und auf indirektem Weg, also durch Reflexion an der Innen-Seite des Mantels des Strahlungs-Abschirm-Körpers 9, zu dem CCD-Chip gelangen. Es kommt nur die von der ausgewählten Solar-Zelle 2 emittierte elektromagnetische Strahlung in die Detektions-Einrichtung 7, über der sich der Strahlungs-Abschirm-Körper 9 befindet. Dies ist auf den Strahlungs-Abschirm-Körper 9 zurückzuführen, der die Detektion von weiterer elektromagnetischer Strahlung verhindert. Es kann wegen dem Strahlungs-Abschirm-Körper 9 also keine elektromagnetische Strahlung, beispielsweise von den anderen, nicht interessierenden Solar-Zellen 2, zu dem Strahlungs-Detektor 8 gelangen. Ein entsprechendes Strahlungs-Mess-Signal wird dann von dem Strahlungs-Detektor 8 ausgegeben. Dieses Strahlungs-Mess-Signal ist für die genau eine, bestimmte Solar-Zelle 2 charakteristisch.
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Das aufgenommene Strahlungs-Mess-Signal wird dann durch eine Referenz-Messung kalibriert. Dazu wird eine Referenz-Solar-Zelle auf die gleiche Art und Weise vermessen, deren Dunkelkennlinie bekannt ist. Die Referenz-Solar-Zelle ist in einem entsprechenden Referenz-Solar-Modul angeordnet. Mittels der Detektions-Einrichtung 7 wird ein Kalibrierungs-Mess-Signal detektiert, dem ein elektrischer Strom zugeordnet werden kann. Aus dem von der ausgewählten Solar-Zelle 2 aufgenommenen Strahlungs-Mess-Signal kann dann mittels einer Strom-Kalibrier-Kurve der elektrische Strom der gemessenen Solar-Zelle 2 errechnet werden. Aus diesem elektrischen Strom ergibt sich dann die Dunkelkennlinie dieser Solar-Zelle 2. Bei der bestimmten Dunkelkennlinie handelt es sich um die Dunkel-Vorwärts-Kennlinie der Solar-Zelle 2.
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Es wird also ausgenutzt, dass ein elektrischer Strom durch eine Solar-Zelle 2 fließt, wenn eine elektrische Spannung extern angelegt wird. Bei einer Solar-Zelle 2, die nicht bestrahlt wird, wird der Kurzschluss-Strom zu Null. Die Solar-Zelle 2 ist dann vergleichbar mit einem sogenannten passiven elektrischen Bau-Element. Steigert man die elektrische Spannung von Null ausgehend, so erhält man die charakteristische Dunkelkennlinie der bestimmten Solar-Zelle 2 und zwar als Durchlasskennlinie.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung, die die Detektions-Einrichtung 7 und die Gleichspannungs-Quelle 5 umfasst, kann zerstörungsfrei die Dunkelkennlinie einer in einem Solar-Modul 1 eingekapselten Solar-Zelle 2 bestimmt werden. Das Solar-Modul 1 muss dabei weder geöffnet noch zerstört werden. Insbesondere können Unterbrechungen in den Strom-Leiter-Bahnen 3 und/oder Querschnitts-Verjüngungen der Strom-Leiter-Bahnen 3 in einer Solar-Zelle 2 bzw. die elektrische Leitfähigkeit der Strom-Leiter-Bahnen 3 in einer Solar-Zelle 2 überprüft werden. Es können aber auch fehlerhafte bzw. nicht ordnungsgemäß verschaltete Strom-Leiter-Bahnen 3 erkannt werden. Durch den Strahlungs-Abschirm-Körper 9 kann eine einzelne Solar-Zelle 2 isoliert vermessen werden.
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Durch eine Versetzung der Detektions-Einrichtung 7 und/oder des Solar-Moduls 1 können sämtliche Solar-Zellen 2 in einem Solar-Modul 1 zeitlich nacheinander geprüft werden.
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Die erfindungsgemäße Mess-Anordnung umfasst die Gleichspannungs-Quelle 5, das Strom-Messgerät 6 und die Detektions-Einrichtung 7.
