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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Parameters wenigstens einer von einer Mehrzahl zu einem einen von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss aufweisendes Modul zusammengeschalteter Photozellen.
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Zur Stromerzeugung werden heutzutage vermehrt Solar- bzw. Photozellen eingesetzt. Dazu ist in der Regel eine Mehrzahl von Photozellen zu einem Modul zusammengeschaltet. Zur elektrischen Verschaltung weist ein derartiges Modul einen von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss auf, mit dem mehrere Module untereinander verbunden und diese schließlich an ein Stromnetz angeschlossen werden können. Die elektrischen Kontakte der innerhalb des Moduls befindlichen einzelnen Photozellen hingegen sind jedoch von außen meist nicht mehr zugänglich, da diese vollständig innerhalb des Moduls gekapselt sind. Es besteht jedoch der Bedarf, Parameter von einzelnen der zu dem Modul zusammengeschalteten Photozellen ermitteln zu können, wie es beispielsweise bei einer Funktionsüberprüfung bzw. Fehlerdiagnose, insbesondere bei Degradationsversuchen und Reklamationsfällen der Fall ist. Bisher ist dies nur möglich, indem sich Zugang zu den elektrischen Kontakten der Photozelle verschafft wird, was mit einer Beschädigung bzw. sogar Zerstörung des Moduls verbunden ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Parameters wenigstens einer von einer Mehrzahl zu einem einen von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss aufweisendes Modul zusammengeschalteter Photozellen vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Erfindungsgemäß werden im Schritt a) sämtliche Photozellen des Moduls einem ersten Belichtungsgrad ausgesetzt.
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Danach werden in Schritt b) über den elektrischen Anschluss dem Modul verschiedene erste Werte einer ersten elektrischen Größe aufgeprägt und zur Bildung jeweiliger erster Wertepaare zu jedem der ersten Werte in deren Abhängigkeit ein jeweiliger erster Wert einer zweiten elektrischen Größe ermittelt.
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In Schritt c) wird dann die wenigstens eine Photozelle einem zweiten Belichtungsgrad ausgesetzt, während die weiteren, also alle restlichen Photozellen des Moduls weiterhin dem ersten Belichtungsgrad ausgesetzt bleiben.
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Gemäß Schritt d) werden über den elektrischen Anschluss dem Modul erneut verschiedene zweite Werte der ersten elektrischen Größe aufgeprägt und zur Bildung jeweiliger zweiter Wertepaare zu jedem der zweiten Werte in deren Abhängigkeit ein jeweiliger zweiter Wert der zweiten elektrischen Größe ermittelt.
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In Schritt e) wird dann aus den Unterschieden von ersten und zweiten Wertepaaren der gesuchte Parameter der Photozelle ermittelt.
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Gemäß der Erfindung werden also, während sämtliche Photozellen des Moduls einem ersten Belichtungsgrad ausgesetzt sind, charakteristische Werte in Form der ersten Wertepaare für das gesamte Modul, also der Gesamtheit der bevorzugt zu einem Zellenstrang in Serie zusammengeschalteten Photozellen, ermittelt. Hierzu werden an dem elektrischen Anschluss des Moduls erste Werte einer ersten elektrischen Größe dem Modul aufgeprägt. In deren Abhängigkeit werden korrespondierende erste Werte einer zweiten elektrischen Größe ermittelt, indem diese beispielsweise an dem elektrischen Anschluss gemessen werden. Durch die Zuordnung der jeweiligen ersten Werte von erster und zweiter elektrischen Größe werden jeweils Wertepaare gebildet. Mit anderen Worten: Der erste Wert der aufgeprägten elektrischen ersten Größe und der in dessen Abhängigkeit ermittelte zugehörige erste Wert der zweiten elektrischen Größe bilden ein Wertepaar. Eine Mehrzahl derartiger erster Wertepaare charakterisiert das Modul im Zustand des ersten Belichtungsgrades in Bezug auf den zu ermittelnden Parameter. Diese Wertepaare bilden somit eine Referenz und damit die Basis zur Ermittlung des gewünschten Parameters.
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Nach der Bildung der ersten Wertepaare wird nun in einem weiteren Schritt die wenigstens eine Photozelle einem zweiten Belichtungsgrad ausgesetzt, während die weiteren Photozellen weiterhin dem ersten Belichtungsgrad ausgesetzt bleiben.
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In diesem Zustand werden dann analog Schritt b) weitere charakteristische zweite Wertepaare des gesamten Moduls ermittelt, die sich jedoch von denen im Schritt b) aufgenommenen Wertepaaren unterscheiden, da mit der unterschiedlichen Belichtung der wenigstens einen Photozelle auch die Charakteristik des gesamten Moduls verändert wird. Da jedoch die Bedingungen in Bezug auf die weitern Photozellen konstant bleiben, enthalten die zweiten Wertepaare Informationen, die spezifisch an die wenigstens eine Photozelle gekoppelt sind.
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Durch eine derartige Aufnahme von ersten und zweiten Wertepaaren unter in Bezug auf die wenigstens eine Photozelle unterschiedlichen Bedingungen kann dann aus den Unterschieden von ersten und zweiten Wertepaaren der Parameter der wenigstens einen Photozelle ermittelt werden, ohne dass diese selbst unmittelbar kontaktiert werden muss. Es reicht also eine Kontaktierung an dem elektrischen Anschluss des Moduls, also aller zusammengeschalteter Photozellen, aus. Somit ist eine zerstörungsfreie Überprüfung einer Photozelle auch dann möglich, wenn die wenigstens eine Photozelle nicht unmittelbar elektrisch kontaktierbar ist.
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Das Ermitteln der Unterschiede von ersten und zweiten Wertepaaren wird erleichtert, wenn in Schritt b) und d) die Werte der ersten elektrischen Größe nahezu identisch sind. Somit ergibt sich eine einheitliche Basis, in deren Abhängigkeit bei den unterschiedlichen Belichtungsgraden die jeweiligen zugehörigen Werte der zweiten elektrischen Größe ermittelt werden.
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Eine besonders aussagekräftige Ermittlung des Parameters wird ermöglicht, wenn aus den ersten Wertepaaren eine erste Kennlinie und aus den zweiten Wertepaaren eine zweite Kennlinie gebildet wird. Dazu ist es erforderlich, eine Vielzahl von ersten und zweiten Wertepaaren in einem bestimmten Wertebereich zu ermitteln.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Ermittlung des Parameters eine Differenz der Werte der zweiten Größe von Wertepaaren gleicher erster Größe gebildet.
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Vorzugsweise wird als erste bzw. zweite elektrische Größe der durch das Modul fließende Strom bzw. die am Modul anliegende Spannung verwendet. Die jeweilige erste elektrische Größe, also der Strom bzw. die Spannung kann durch Anlegen an dem von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss dem Modul aufgeprägt werden, während die zweite elektrische Größe, also die Spannung bzw. der Strom an dem von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss gemessen wird.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zur Ermittlung des Parameters jeweils für selbe Stromwerte die zugehörigen Spannungswerte subtrahiert.
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Als Parameter können beispielsweise der Kurzschlussstrom, der Parallelwiderstand oder der Serienwiderstand der Fotozelle ermittelt werden.
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Auf einfache Art und Weise kann der erste Belichtungsgrad durch Abschatten der Fotozellen und/oder der zweite Belichtungsgrad durch Beleuchten der Photozellen erzielt werden. Zur Aufnahme der jeweiligen ersten Wertepaare befinden sich bereits sämtliche Photozellen in einer dunklen Umgebung, die durch geeignete Abdunklungsmaßnahmen erzielt werden kann. Zur Aufnahme der zweiten Wertepaare wird ausschließlich die wenigstens eine Fotozelle beleuchtet, während die weiteren Photozellen sich weiterhin im Dunkeln befinden, indem diese abgeschattet werden. Die Beleuchtung kann beispielsweise durch bekannte Leuchtelemente wie eine Glühlampe, Halogenlampe, Leuchtstoffröhre oder Entladungslampe erfolgen. Das Abschatten der weiteren Zellen kann durch eine lichtundurchlässige Maske erfolgen.
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Speziell zur Durchführung des Verfahrens bietet sich eine Vorrichtung an, die eine Leuchtdiodenmatrize umfasst an, die auf die spezielle Form der Solarmodule und einzelnen Photozellen angepasst werden können. Desweiteren umfasst die Vorrichtung weitere Elemente, mit deren Hilfe jeweils die Abschattung von einzelnen Photozellen ermöglicht wird. Zur Durchführung des Verfahrens werden dann die der wenigsten einen Photozelle zugehörigen Leuchtdioden betrieben, so dass gezielt die wenigstens eine Photozelle durch die Leuchtdiode beleuchtet wird, während durch die restlichen Photozellen abgeschattet werden. Somit kann das Verfahren ohne Umbauaufwand mit einer Vorrichtung für unterschiedliche Photozellen einheitlich aufgebauter Module durchgeführt werden.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein aus mehreren Photozellen gebildetes Modul,
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2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Moduls,
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3 bis 5 Kennlinien eines Moduls,
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6 bis 7 Differenzkennlinien eines Moduls.
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1 zeigt ein im Folgenden als Modul 2 bezeichnetes Solarmodul welches eine Mehrzahl zusammengeschalteter Photozellen 4 (4 a, 4 b, 4 c, ..., 4 n) aufweist. In diesem Fall sind sämtliche Photozellen 4 zu einem Zellenstrang 6 in Serie geschaltet. Es wäre jedoch auch möglich, dass in einem derartigen Modul 2 auch Photozellen 4 parallel geschaltet, bzw. mehrere aus in Serie geschalteten Photozellen 4 gebildeten Stränge 6 parallel geschaltet sind. Lediglich das Modul 2 weist einen von außen kontaktierbaren elektrischen Anschluss 8 mit einem Pluspol 10 und einem Minuspol 12 auf, während die einzelnen Photozellen 4 hingegen derart physikalisch in das Modul eingebettet sind, so dass eine unmittelbare elektrische Kontaktierung von außen, beispielsweise zu deren Überprüfung, nicht möglich ist. Um nun Parameter P von einzelnen Photozellen 4 zu ermitteln, müsste das Modul 2 beschädigt bzw. sogar zerstört werden, so dass eine elektrische Kontaktierung der betreffenden Photozelle 4 ermöglicht wird. Eine spätere Funktion des Moduls 2 kann dann jedoch nur unter hohem Kostenaufwand bzw. gar nicht mehr gewährleistet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch die zerstörungsfreie Ermittlung eines Parameters einer einzelnen Photozelle 4, ohne dass diese selbst elektrisch kontaktiert werden muss. Als Parameter kommen beispielsweise der Kurzschlussstrom ISC, der Parallelwiederstand Rp oder der Serienwiderstand einer Photozelle 4 in Betracht. Die Erfindung beruht dabei auf folgenden Erkenntnissen, die anhand des in 2 dargestellten Ersatzschaltbildes des in 1 gezeigten Moduls 2 erläutert wird.
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Dargestellt sind der elektrische Anschluss 8 sowie eine erste Baugruppe 14, die die wenigstens eine Photozelle 4, in diesem Fall also Photozelle 4 c, von der der elektrische Parameter P ermittelt werden soll, repräsentiert. Es wäre jedoch auch denkbar, dass der Parameter nicht nur von einer einzigen Photozelle 4 c, sondern von mehreren Photozellen 4 ermittelt werden soll. In diesem Fall würde dann die Baugruppe 14 diese mehreren Photozellen repräsentieren. Das Ersatzschaltbild für die Baugruppe 14 umfasst eine Diode 16, einen dazu parallel geschalteten parasitären Widerstand Rp sowie eine Stromquelle 20, die den Kurzschlussstrom ISC repräsentiert, welcher erzeugt wird, wenn die wenigstens eine Photozelle 4 c beleuchtet wird. Es handelt sich hierbei also um ein Ersatzschaltbild für eine oder mehrere Photozellen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Desweiteren umfasst das Ersatzschaltbild eine zweite Baugruppe 22, welche zur ersten Baugruppe 14 in Serie geschaltet ist und ebenfalls eine Diode 24 sowie einen dazu parallel geschalteten parasitären Widerstand 26 umfasst. Die zweite Baugruppe 22 repräsentiert die weiteren Photozellen 4 des Moduls 2, also sämtliche Photozellen 4 a, 4 b, 4 d, ..., 4 n mit Ausnahme der wenigstens einen Photozelle 4 c.
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In 3 ist nun ein Diagramm mit mehreren Kennlinien des Moduls 2 dargestellt. Derartige Kennlinien werden bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten.
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Gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sämtliche Photozellen 4 des Moduls 2 einem ersten Belichtungsgrad, der im gezeigten Beispiel durch Abschatten sämtlicher Photozellen 4 erzielt wird, ausgesetzt. Im Ersatzschaltbild bedeutet dies, dass der Strom ISC Null ist, da insbesondere die Photozelle 4 c keinen Strom erzeugt. Danach werden dem Modul 2 über den elektrischen Anschluss 8 verschiedene erste Werte einer ersten elektrischen Größe G1, im gezeigten Beispiel der Strom I, aufgeprägt. In Abhängigkeit dieses ersten Wertes der ersten elektrischen Größe G1 wird ein jeweiliger erster Wert einer zweiten elektrischen Größe G2, in diesem Fall der Spannung U, ermittelt. Es wird also über den elektrischen Anschluss 8 zunächst ein erster Wert eines bestimmten Stromes I durch das Modul 2 geleitet und in dessen Abhängigkeit die an dem Modul 2 anliegende Spannung U gemessen und somit ein erster Wert der zweiten elektrischen Größe U erhalten. Auf diese Art und Weise wird ein erstes U/I-Wertepaar W1 gebildet. Dieser Vorgang wird nun für mehrere verschiedene Werte der ersten elektrischen Größe G1 wiederholt, so dass sich dadurch mehrere erste U/I-Wertepaare ergeben, aus denen eine erste Kennlinie 28 gebildet wird. Diese Kennlinie 28 entspricht einer dem Fachmann wohlbekannten U/I-Kennlinie von in Serie geschalteten herkömmlichen Photozellen 4. Die Kennlinie 28 weist in deren mittleren Abschnitt einen relativ flachen Verlauf auf, bevor im positiven Bereich der Spannung U die Kennlinie 28 einen steilen Anstieg aufweist. Im negativen Bereich der Spannung U fällt die Kennlinie 28 bei Erreichen der Durchbruchspannung stark ab. Alternativ wäre es auch denkbar als erste elektrische Größe G1 die Spannung U und als zweite elektrische Größe G2 die Spannung U heranzuziehen.
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Im Schritt c) wird die wenigstens eine Photozelle 4, in diesem Fall also Photozelle 4 c einem zweiten Belichtungsgrad ausgesetzt, der durch Beleuchten der Photozelle 4 c mit beispielsweise einer Leuchtdiode erzielt wird. Im Ersatzschaltbild hat dies die Folge, dass die Stromquelle 20 einen Kurzschlussstrom ISC erzeugt. Die weiteren Photozellen 4 a, 4 b, 4 d ... 4 n des Moduls 2 bleiben weiterhin dem ersten Belichtungsgrad, also Dunkelheit ausgesetzt. In diesem Fall werden die weiteren Photozellen 4 durch Abschatten mittels geeigneter Matrizen vor Licht geschützt.
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In einem Schritt d) werden über den elektrischen Anschluss 8 dem Modul 2 erneut verschiedene zweite Werte der ersten elektrischen Größe G1 aufgeprägt und zur Bildung jeweiliger zweiter Wertepaare W2 zu jedem der zweiten Werte der ersten elektrischen Größe G1 in deren Abhängigkeit ein jeweiliger zweiter Wert der zweiten elektrischen Größe G2 ermittelt. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei den zweiten Werten der ersten elektrischen Größe G1 um dieselben oder zumindest nahezu identischen Werte wie die ersten Werte der ersten elektrischen Größe G1, welche in Schritt b) aufgeprägt wurden. Aus diesen zweiten Wertepaaren W2 wird dann eine entsprechende zweite Kennlinie 30 gebildet, wie ebenfalls aus 3 ersichtlich. Die zweiten Wertepaare W2 unterscheiden sich jedoch in einem bestimmten Wertebereich der ersten elektrischen Größe G1 von den ersten Wertepaaren W1. Anhand der Kennlinie 30 ist zu erkennen, dass im negativen Bereich der Spannungswerte bereits bei vom Betrag her kleineren Werten ein Stromfluss durch das Modul zu verzeichnen ist. Bei Erreichen der Durchbruchspannung stimmt die Kennlinie 30 mit der Kennlinie 28 überein. Die Kennlinie 30 weist somit eine Art Stufe im negativen Bereich der Spannungswerte auf.
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In 4 sind nun wiederum die erste Kennlinie 28 und mehrere zweite Kennlinien 30a, b, c dargestellt. Dabei entspricht Kennlinie 30a exakt dem Verlauf der Kennlinie 30 aus 3. Kennlinien 30b und 30c weisen einen unterschiedlichen Verlauf auf der dadurch bedingt ist, dass die jeweiligen Kurzschlussströme ISC einen veränderten Wert haben, obwohl der jeweilige Belichtungsgrad bei Aufnahme der Kennlinie identisch ist. Diese Kennlinienverläufe könnten beispielsweise von derselben Photozelle 4c, wenn diese beispielsweise gealtert oder beschädigt ist oder von Photozellen 4c anderer Module 2 stammen. Dabei weist Kennlinie 30a den geringsten Wert und Kennlinie 30c den höchsten Wert für den Kurzschlussstrom ISC auf. Den Kennlinien 30a, b, c ist zu entnehmen, dass größere Kurzschlussströme ISC auch zu größeren Sprüngen im relevanten Spannungsbereich führen. Es ist zu erkennen, dass der Abstand X der Kennlinie 30 zur Kennlinie 28 in einem Teil des Sperrbereichs des Moduls 2 für steigende Kurzschlussströme ISC größer wird. Beispielsweise weist die Kennlinie 30a einen Abstand Xa von der Kennlinie 28 auf, der geringer ist als der Abstand Xb. Es ist also bereits hier zu erkennen, dass mit Hilfe der Kennlinien 30, a, b, c eine Berechnung des Kurzschlussstromes ISC einer Photozelle 4 möglich ist, da der Abstand Xa, Xb, Xc proportional zum Kurzschlussstrom ISC ist. Der relevante Kennlinienbereich für die Berechnung des Kurzschlussstroms ISC liegt im Sperrbereich kurz vor Erreichen der Durchbruchspannung.
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In 5 sind nun unterschiedliche Kennlinien 28 sowie 30a, b, c dargestellt, deren Verläufe für verschiedene parasitäre Parallelwiderstände Rp der wenigsten einen zu untersuchenden Photozelle 4c gezeigt sind. Dabei zeigt Kennlinie 30a einen Verlauf für eine Photozelle 4c mit einem höchsten Wert eines Parallelwiderstands Rp, während Kennlinie 30c von einer Photozelle 4c mit dem geringsten Parallelwiederstand Rp stammt. Auch diese geänderten Werte für die Parallelwiederstände können beispielsweise einen alterungsbedingten Hintergrund einer Photozelle 4 haben. Anhand der Kennlinien 30a, b, c ist zu erkennen, dass diese in einem charakteristischen Bereich eine unterschiedliche Steigung R aufweisen. So weist Kennlinie 30a eine Steigung Ra auf, die geringer ist als die Steigung Rc der Kennlinie 30c. Den Kennlinien 30 ist also zu entnehmen, dass die Steigung R der Kennlinie 30 im relevanten Bereich ein Maß für den parasitären Parallelwiederstand Rp ist. Je kleiner der Parallelwiderstand Rp ist, desto größer ist die Steigung R der entsprechenden Kennlinie 30. Aus dieser Proportionalität von Parallelwiderstand RP zur Steigung R kann somit direkt aus der Steigung R der Parallelwiderstand RP berechnet werden.
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Anhand der oben gezeigten Beispiele ist ersichtlich, dass der Abstand X ein Maß für den Kurzschlussstrom ISC und die Steigung R ein Maß für den Parallelwiederstand Rp einer Photozelle 4 darstellt. Dabei stellen jedoch die absoluten Werte der Kennlinien 30a, b, c Eigenschaften des gesamten Moduls 2 dar, wobei in diesen spezifische Informationen in Bezug auf den Parameter P der wenigstens einen Photozelle 4 enthalten sind. Um nun den gewünschten Parameter P der wenigstens einen Photozelle 4 zu ermitteln, ist es also erforderlich, diese Informationen zu isolieren. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass eine Differenz der ersten und zweiten Werte der zweiten elektrischen Größe G2 von Wertepaaren gleicher erster elektrischer Größe G1 gebildet werden. In diesem Fall werden die Spannungswerte der Kennlinie 30 von denen der Kennlinie 28 abgezogen, so dass eine Differenzkennlinie 32 gebildet wird.
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Für die in 4 bzw. 5 gezeigten Beispiele ergeben sich die in 6 bzw. 7 dargestellten Differenzkennlinien 32a, b, c. Aus den Differenzkennlinien 32a, b, c der 6 bzw. 7 kann dann beispielsweise als Parameter P der Kurzschlusstrom ISC oder der parasitäre Parallelwiderstand Rp ermittelt werden.
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Durch die Möglichkeit Kurzschlusströme ISC in einzelnen Photozellen 4 eines Moduls 2 ermitteln zu können, ist es auch möglich, die spektrale Empfindlichkeit dieser Photozellen 4 zu ermitteln. Dazu wird wie oben beschrieben das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, lediglich der zweite Belichtungsgrad wird durch Licht unterschiedlichem Spektrums erzeugt, beispielswiese wird dieses mit Hilfe von Filtern spektral zerlegt oder mit LEDs verschiedener Wellenlänge erzeugt.
