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Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung sowie ein Verfahren zur Durchführung einer elektrischen Isolationsprüfung an Solarmodulen, welche zumindest im Bereich des Modulrandes elektrisch isoliert sind.
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Für die Lebensdauer von Photovoltaikmodulen mit Dünnfilmsolarzellen, die auf Schichtdicken im Mikrometerbereich basieren, und die Gewährleistung der Sicherheit solcher Module gemäß der vorgeschriebenen Normen (beispielsweise UL1703), ist es ausschlaggebend, wie gut die Dünnschichten zur Außenkante hin elektrisch isoliert und vor Witterungs- und anderen Umwelteinflüssen sowie vor Stromleckage geschützt sind. Nach dem Aufbringen von stromführenden Schichten auf ein Substrat wird daher der Randbereich des Substrates wieder entschichtet und das Substrat wird laminiert, d. h. mit einer Laminatschicht sowie einer üblicherweise aus Glas bestehenden Abdeckschicht versehen, so dass eine feuchtedichte Verkapselung der Solarzellen und zugleich eine ausreichende elektrische Isolation der stromführenden Komponenten erreicht wird.
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Kann von außen Feuchtigkeit in den Randbereich des Photovoltaikmoduls eindringen, so kann dies nicht nur dazu führen, dass die Solarzelle beschädigt oder zerstört wird. Auch die geforderte elektrische Isolierung der stromführenden Komponenten und damit die Betriebssicherheit des Moduls kann aus diesem Grund unzureichend sein. Um dies zu überprüfen, ist es bekannt, Photovoltaikmodule einem elektrischen Isolationstest zu unterwerfen, welcher üblicherweise auch als HighPot-Test bezeichnet wird.
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Bei der elektrischen Isolationsprüfung gemäß Bauarteignung und Zulassung sowie der Sicherheitsnorm wird durch Anlegen einer Hochspannung geprüft, ob das Photovoltaikmodul zum Rand hin isoliert ist. Die angelegte Hochspannung beträgt zumeist zwischen 3000 V und 6000 V, je nach Systemspannung und Norm, und je nachdem, ob es das Modul über einen isolierenden Rahmen verfügt oder nicht. Dabei wird festgestellt, ob sich ein Leckstrom bildet. Dieser kann aufgrund einer fehlerhaften Entschichtung auftreten, wenn noch eine Restbeschichtung auf dem Substrat im Randbereich vorhanden ist. Ein Leckstrom kann jedoch seine Ursache auch in einer Kontamination des Randbereiches, bspw. durch Staubpartikel, haben, die bspw. auf die Entschichtung des Substrats zurückzuführen ist. Eine andere Ursache für Leckstrom kann eine im Randbereich des Substrates durch den Entschichtungsvorgang entstandene Mikrostruktur in Form kleinster Beschädigungen der Substratoberfläche sein, in der sich Feuchtigkeit sammelt. Schließlich kann Leckstrom auch aufgrund der Verwendung einer leitfähigen und damit fehlerhaften Laminierfolie vorhanden sein, wie sie beispielsweise durch fehlerhafte Lagerung entstehen kann. Mit dem elektrischen Isolationstest wird somit auch die elektrische Festigkeit des Laminats überprüft. Dazu wird das Modul neben der Randkontaktierung durch die Prüfvorrichtung auch an den ohnehin am Modul vorgesehenen elektrischen Kontakten kontaktiert. Zwischen diesen beiden Kontaktpunkten wird schließlich gemessen, ob ein Leckstrom auftritt. Bei Überschreiten eines Stromstärkengrenzwertes gilt das Modul als nicht ausreichend isoliert und wird folglich aussortiert.
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Vorzugsweise wird der elektrische Isolationstest dabei derart ausgeführt, dass der Modulrandbereich sowohl seitlich als auch im Randbereich der Abdeckschicht und im Randbereich unterhalb des Substratglases kontaktiert wird. Hierdurch kann ein Leckstrom auch in diesen Bereichen zuverlässig aufgefunden und das entsprechende Solarmodul aussortiert werden.
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Ein Verfahren zur Überprüfung der elektrischen Isolation von Solarmodulen ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 019 703 B4 bekannt. Hierbei wird ein Solarmodul mit Hilfe von mit leistenförmigen Kontaktelementen versehenen Kontaktrahmen mechanisch kontaktiert. Es ist dabei zumindest möglich, das Deckglas des Solarmodules elektrisch zu kontaktieren, da dieses aufgrund seiner Härte durch thermische Vorspannung in der Regel größer als das Substratglas ist.
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Nachteilig am Einsatz der aus dem Stand der Technik bekannten Prüfverfahren ist jedoch, dass eine Kontaktierung des Randbereiches des Solarmoduls, insbesondere der Randbereiche des Substrat- und des Abdeckglases, bestenfalls mit einem erhöhten Aufwand und unter Inkaufnahme einer durch die aufwändigere Kontaktierung verlängerten Prüfzeit erreicht werden kann. Eine verlängerte Prüfzeit ist insofern nachteilig, als dass diese die Anschaffung einer weiteren Prüfvorrichtung nötig machen kann und damit die Produktionskosten erhöht.
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Bei Verzicht auf die Kontaktierung des Randbereiches der Substrat- und Deckglasseite des Solarmoduls besteht das Risiko, dass Leckströme nicht erkannt werden und fehlerhafte Solarmodule verkauft werden.
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Weiterhin kann es trotz des Einsatzes eines elastischen Materials als Kontaktelement dazu kommen, dass das zu prüfende Solarmodul beschädigt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich im Randbereich des Solarmoduls Schmutzpartikel befinden. Im Bereich dieser Partikel erhöht sich der von der Prüfvorrichtung ausgeübte Anpressdruck lokal erheblich, was zu einer Beschädigung des Randbereiches des Solarmoduls und damit zu einem Totalausfall des betreffenden Moduls führen kann.
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Es ist damit eine Aufgabe der Erfindung, die Isolationsprüfvorrichtung kostengünstiger, einfacher und gleichzeitig zuverlässig zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Prüfvorrichtung zur Isolationsprüfung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und ein Prüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Prüfvorrichtung eine Kontaktierungsvorrichtung aufweist, welche das zu prüfende Solarmodul mittels eines Kontaktelementes kontaktiert. Dabei weist das Kontaktelement während der Isolationsprüfung ein temporär vergrößertes Volumen im Vergleich zum Volumen des Kontaktelementes vor und nach der Isolationsprüfung auf.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Kontaktierung des Solarmoduls einfach und zuverlässig erfolgen. Zunächst wird dazu das zu prüfende Solarmodul in die Prüfvorrichtung eingefördert. Zu diesem Zeitpunkt ist das Volumen des Kontaktelementes minimal, so dass ein ausreichender Zwischenraum zwischen dem Modul und den Kontaktelementen zur Einförderung vorhanden ist. Minimales Volumen bedeutet, dass das Innenvolumen des Kontaktelementes zu keinem Zeitpunkt während des Prüfprozesses weiter verkleinert. Sobald das Modul die Prüfposition erreicht hat, wird das Volumen des Kontaktelementes derart vergrößert, dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement und dem Solarmodule entsteht. Durch die geeignete Wahl des Materials des Kontaktelementes und die damit einhergehende Flexibilität desselben kann es auch nicht zu einer Beschädigung des Solarmoduls durch eventuelle Schmutzpartikel im Randbereich des Solarmodules kommen. Ebenfalls wird durch das Anschmiegen des Kontaktelementes an die Modulkanten bei der temporären Vergrößerung des Volumens eine Kontaktierung der Randbereiche des Abdeck- und Substratglases erreicht. Nach Beendigung der anschließend stattfindenden Isolationsprüfung durch Beaufschlagen der Prüfvorrichtung mit der Prüfspannung wird das Volumen des Kontaktelementes wieder auf die ursprüngliche Größe verringert, um das Ausfördern des geprüften Solarmodules und Einfördern des Nächsten zu ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht es außerdem, vergleichsweise kostengünstige Materialien zu verwenden. Zusätzlich ist die Komplexität des Prüfverfahrens gering, wodurch insgesamt eine Kostenminimierung erreicht werden kann.
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Außerdem wird durch die Verwendung eines elastischen Kontaktelementes sichergestellt, dass sämtliche Modulrandbereiche, insbesondere auch die Moduleckbereiche elektrisch kontaktiert werden und keine Leckstrompfade bei der Isolationsprüfung unentdeckt bleiben können.
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Bevorzugt wird das Volumen des Kontaktelementes pneumatisch vergrößert, beispielsweise durch Aufblasen des Kontaktelementes. Dazu besteht das Kontaktelement normalerweise aus einem dehnbaren, hohlen, und mit einem Aufblasventil versehenen Material. Da das Material gleichzeitig über eine ausreichende Stabilität verfügen muss, hat sich beispielsweise der Einsatz eines handelsüblichen – jedoch zusätzlich mit einem Ventil sowie einem leitfähigen Material versehenen – Feuerwehrschlauches mit einem geeigneten Durchmesser sowie einer geeigneten Wandstärke in der Praxis bewährt.
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Das Kontaktelement kann beispielsweise aus Gummi, Kautschuk oder einem elastischen Kunststoff bestehen. Das Kontaktelement kann beispielsweise einen Außendurchmesser im vergrößerten Zustand von 10–100 mm, bevorzugt einen Außendurchmesser von 20–30 mm aufweisen. Die Wandstärke des Kontaktelementes kann 0,3–3 mm, bevorzugt 1,0–1,2 mm betragen.
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Alternativ kann auch ein elektrisch leitfähiges Material wie beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Klebeband oder ein Gummigewebe verwendet werden, insofern es die weiteren Eigenschaften im Hinblick auf Dehnbarkeit und Belastbarkeit erfüllt.
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Es ist auch vorstellbar, dass das Kontaktelement vor- und nach der Isolationsprüfung mechanisch komprimiert wird. Hierbei weist das Kontaktelement ein Volumen auf, welches im unkomprimierten Zustand einen ausreichenden elektrischen Kontakt zum Solarmodul ermöglicht. Durch die Komprimierung, beispielsweise durch mechanisches Zusammendrücken oder – Ziehen des Kontaktelementes, wird das Ein- und Ausfördern des Solarmoduls ermöglicht.
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Als geeignete Materialien kommen hierbei beispielsweise Gummi oder Kautschuk in Frage.
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Vorteilhafterweise wird das das Volumen des Kontaktelementes während der Isolationsprüfung um mehr 100 Prozent, besonders bevorzugt um mehr als 300 Prozent im Vergleich zum volumenminimierten Zustand vergrößert. Dies dient dazu, die Einförderung des zu prüfenden Solarmodules ohne das Risiko einer Kollision mit dem Kontaktelement der Prüfvorrichtung zu ermöglichen.
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Um das Überprüfen der Isolation des Solarmoduls zu ermöglichen und das Solarmodul mit der Prüfspannung zu beaufschlagen, muss das Kontaktelement elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Verschiedene Varianten sind hierbei denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführung kann das Kontaktelement mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da dadurch nicht noch weitere Anforderungen an das für das Kontaktelement verwendete Material gestellt werden. Als Beschichtungsmaterial kann jedes leitfähige Material, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Molybdän verwendet werden.
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Alternativ kann das Kontaktelement vorteilhafterweise auch mit einem elektrisch leitfähigen Material beklebt sein. Dies ist vorteilhaft, da elektrisch leitfähige Klebematerialien wie Leitklebebänder kostengünstig verfügbar sind und das Bekleben des Kontaktelementes mit geringem Aufwand, beispielsweise händisch, erfolgen kann.
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Bevorzugt ist das Kontaktelement so ausgebildet, dass es den Modulrandbereich bei der Isolationsprüfung vollständig umfasst; das heißt, dass alle vier Außenkanten sowie die Randbereiche des Substrat- und Abdeckglases von einem einzelnen Kontaktelement umschlossen werden. Dies ist vorteilhaft, da dadurch im Falle der Verwendung einer Pneumatik der technische Aufwand zur Installation dieser auf die Verwendung eines einzelnen Ventils reduziert wird. Hierdurch wird eine weitere Kosteneinsparung erzielt.
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Alternativ kann das Kontaktelement auch aus mehreren Teilen bestehen. Vorzugsweise weist die Vorrichtung vier Kontaktelemente auf, bei denen jedes Kontaktelement eine Modulkante kontaktiert. Insbesondere im Falle der Verwendung eines Kontaktelementes, welches zur Ein- und Ausförderung der Prüfmodule komprimiert wird, kann die Prüfvorrichtung durch den reduzierten konstruktiven Aufwand in den die Eckbereiche des Modulrandbereiches umfassenden Bereichen des Kontaktelementes einfacher konstruiert werden. Es wird hierbei keine Teilvorrichtung zur Umformung des Kontaktelementes in einem rechten Winkel zur Kontaktierung der jeweils angrenzenden Modulkante benötigt.
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Weiterhin kann auch im Falle der Verwendung von hohlen Kontaktelementen diese Variante vorteilhaft sein, wenn der Aufwand zum Versehen aller Kontaktelemente mit einer pneumatischen Aufblasvorrichtung kleiner als der Aufwand zur Installation von Teilvorrichtungen zur Umformung des Kontaktelementes in einem rechten Winkel zur Kontaktierung der jeweils angrenzenden Modulkanten ist.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die Prüfvorrichtung ein Halteelement auf, welches einen modulabgewandten Bereich des Kontaktelementes umschließt. Dieses ist konstruktiv so ausgeführt, dass es bei der Verwendung eines aufblasbaren Kontaktelementes das Kontaktelement im volumenminimierten Zustand eine ausreichende Ortsfestigkeit verleiht und beispielsweise ein Durchhängen des Kontaktelementes verhindert. Dazu besteht es üblicherweise aus einem Metall oder einem anderen stabilen Material und weist einen halbkreisförmigen Querschnitt auf.
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Des Weiteren kann das Kontaktelement während des Aufblasvorganges besser in Position gehalten werden und dadurch die korrekte Kontaktierung des Modulrandbereiches sichergestellt werden.
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Schließlich kann durch die halbkreisförmige Ausführung die Expansion des Kontaktelementes beim Aufblasen eine stärkere laterale Ausdehnung des Kontaktelementes in Richtung des Prüfmoduls erreicht werden, womit die Verwendung eines kleineren Kontaktelementes und/oder eine reduzierte Aufblaszeit und damit eine geringere Prüfprozessdurchlaufzeit und/oder ein erhöhter Toleranzbereich für die Präzision der Ein- und Ausförderung der Prüfmodule ermöglicht wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer elektrischen Isolationsprüfung an zumindest einem mit elektrischen Anschlüssen versehenen und im Modulrandbereich elektrisch isolierten Solarmodul durch eine mit einer Kontaktierungseinrichtung versehenen Prüfvorrichtung, wobei das Solarmodul durch zumindest ein Kontaktelement der Kontaktierungseinrichtung am Modulrandbereich elektrisch kontaktiert wird und eine Testspannung zwischen dem Modulrandbereich und den elektrischen Anschlüssen des Solarmoduls angelegt wird und der elektrische Kontakt mittels einer Vergrößerung des Volumens des Kontaktelementes hergestellt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Prüfvorrchtung wird nachfolgend erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine rein schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit volumenminimierten Kontaktelement
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2: einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit volumenminimiertem Kontaktelement
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3: Eine schematische Detailansicht eines Randbereiches des Solarmodules und eines Ausschnittes des volumenminimierten Kontaktelementes
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4: eine rein schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit dem Kontaktelement mit vergrößertem Volumen
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5: einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit dem Kontaktelement im vergrößerten Zustand
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6: Eine schematische Detailansicht eines Randbereiches des Solarmodules mit dem Kontaktelement im vergrößerten Zustand
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit volumenminimierten Kontaktelement gezeigt, wobei sich das zu prüfende Solarmodul (01) bereits in der Prüfvorrichtung befindet. Die Kontaktelemente (02, 04), hier als Schläuche ausgebildet, befinden sich in einem volumenminierten Zustand. Die Kontaktelemente sind mit einem leitfähigen Material beschichtet bzw. beklebt oder bestehen aus einem leitfähigen Material, was jedoch in der Figur nicht dargestellt wird.
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Im volumenminimierten Zustand befindet sich zwischen den Kontaktelementen (02, 04) und dem vom Solarmodul (01) eingenommenen Raum ein Zwischenraum (08-0), welcher das Ein- und Ausfördern der Solarmodule (01) ohne Beschädigung der Kontaktelemente (02, 04) ermöglicht. Beispielhaft sind hier vier Kontaktelemente (02, 04) gezeigt. Es ist auch möglich weniger oder nur ein Kontaktelement (02, 04) zu verwenden. Die an der Außenseite der Kontaktelemente (02, 04) angebrachten Haltevorrichtungen (06) verhindern ein Durchhängen der Kontaktelemente (02, 04) im volumenminimierten Zustand. Im Ausführungsbeispiel wurden zehn Halteelemente (06) angebracht, jeweils drei an den die langen Modulkanten kontaktierenden Abschnitte der Prüfvorrichtung und jeweils zwei an den die kurzen Modulkanten kontaktierenden Abschnitte der Prüfvorrichtung. Ein Befüllen der hohlen Kontaktelemente zum Vergrößern des Kontaktelementvolumens wird durch die Pneumatikanschlüsse (09) ermöglicht.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit volumenminimiertem Kontaktelement. Zu sehen ist, dass das Innenvolumen (07-0) des Kontaktelementes minimiert ist und das Solarmodul nicht kontaktiert.
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3 zeigt eine schematische Detailansicht eines Randbereiches des Solarmodules und eines Ausschnittes des volumenminimierten Kontaktelementes. Zu sehen ist, dass sich zwischen dem Kontaktelement (02, 04) mit minimierten Innenvolumen (07-0) und dem Randbereich des Solarmoduls ein Zwischenraum (08-0) befindet.
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4 stellt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit dem Kontaktelement mit vergrößertem Volumen dar, wobei sich das zu prüfende Solarmodul (01) weiterhin bereits in der Prüfvorrichtung befindet. Die Kontaktelemente (02, 04), hier als Schläuche ausgebildet, befinden sich nunmehr einem volumenmaximierten bzw. im Vergleich zur 1 vergrößerten Zustand. Die Kontaktelemente (02, 04) kontaktieren nunmehr das Solarmodul (01), der Zwischenraum (08-0) ist nicht mehr existent. Durch die nicht dargestellten elektrischen Anschlüsse an den Kontaktelementen (02, 04) kann nunmehr die Isolationsprüfung durchgeführt werden, wobei eine Prüfspannung angelegt wird und an den elektrischen Anschlüssen des Solarmoduls (nicht dargestellt) eine Strommessung durchgeführt wird.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit dem Kontaktelement im vergrößerten Zustand. Zu erkennen ist hierbei, dass sich das Innenvolumen (07-1) des Kontaktelementes im Vergleich zur Figur zwei deutlich vergrößert hat.
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6 zeigt schließlich eine schematische Detailansicht eines Randbereiches des Solarmodules (01) mit dem Kontaktelement mit vergrößertem Innenvolumen (07-1), wobei sich die Kontaktelement an das Solarmodul (01) anschmiegt und eine vollflächige Kontaktierung des Modulrandbereiches (10) sowohl an der Kante als auch im Randbereich des Substrat- und des Abdeckglases des Solarmoduls (01), auch im Falle von Verunreinigungen des Randbereiches ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Solarmodul
- 02
- Kontaktelement (kurze Modulkante)
- 04
- Kontaktelement (lange Modulkante)
- 06
- Halteelement
- 07-0
- Innenvolumen des Kontaktelementes, volumenminimiert
- 07-1
- Innenvolumen des Kontaktelementes, Volumen vergrößert
- 08-0
- Abstand zwischen Solarmodul und Kontaktelement im volumenminierten Zustand
- 09
- Pneumatikanschluss
- 10
- Kontaktfläche zwischen Modulrandbereich und Kontaktelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008019703 B4 [0006]
