Upptäcka defekter i solcellsmoduler och solcellssystem
Ständigt stigande elpriser och statliga stödprogram för förnybar energi samt en snabb energiomställning gör solcellsanläggningar med inmatning till elnätet allt mer intressanta för privatpersoner. Inte bara för ägare av elfordon, som så att säga kan tanka gratis med den egenproducerade solenergin.
Även hantverkare, företag och industrier använder tillgängliga tak och öppna ytor för att generera elektricitet med solens kraft och därmed minska driftskostnaderna.
Nätanslutna växelriktare med intelligent elektronik och direktanslutning till internet ger alltid en exakt översikt över systemets prestanda.
Därför märker ansvarsfulla personer omedelbart om avkastningen sjunker på grund av att något är fel med systemet. Vi förklarar gärna hur en solcellsanläggning fungerar och vad man kan göra i händelse av ett fel för att reparera skadan.
För att snabbt kunna hitta felet i solcellssystemet vid en funktionsstörning är det nödvändigt att känna till hur en solpanel och ett helt solcellssystem är uppbyggt och fungerar.
Solcell
1) Solljus | 2) Negativ elektrod | 3) N-dopat kisel | 4) Gränsskikt | 5) P-dopat kisel | 6) Positiv elektrod | 7) Konsument (glödlampa)
En solpanel består av ett mer eller mindre stort antal fotovoltaiska celler. En solcell består i sin tur av två skivtunna skikt av mycket rent kisel som avsiktligt har tillförts främmande atomer som bor och fosfor.
Experter talar om positiv dopning med bor och negativ dopning med fosfor.
Vid gränsytan mellan de två halvledarskikten bildas en så kallad pn-junction (boundary layer).
I vår guide till dioden 1N4148 har vi beskrivit den exakta uppbyggnaden och funktionen hos en pn-junction.
I en solcell frigör solljuset (fotonerna) elektroner i gränsskiktet, som skapar en elektrisk spänning vid övergångspunkterna.
Solcellspaneler
En enskild solcell med måtten 156 × 156 mm är fullt kapabel att producera en betydande mängd elektricitet under starkt solljus.
Den elektriska spänningen är dock relativt låg. När det gäller kisel är terminalspänningen för en enskild fotovoltaisk cell cirka 0,5 - 0,7 V. Därför seriekopplas de enskilda solcellerna i en modul. Detta fungerar på samma sätt som ficklampsbatterier, som också seriekopplas för att öka spänningen.
I solcellsmodulerna på bilden är 36 celler seriekopplade för att bilda så kallade substrings. På så sätt uppnår dessa moduler en öppen kretsspänning (öppna terminaler) på 24,9 V.
Efter lödningen lamineras cellerna mellan två folier och skyddas på så sätt optimalt mot fukt. En aluminiumram med glasskiva och en stabil bakre folie med kopplingsbox kompletterar konstruktionen av en solcellsmodul.
Populära solpaneler
Solcellsfält
1) Solcell | 2) Solpanel | 3) Solsträng
Ett solcellsfält består av flera sammankopplade moduler (2). De enskilda modulerna är seriekopplade och bildar så kallade strängar (3).
Antalet seriekopplade moduler beror på det tillgängliga utrymmet och därmed på det möjliga antalet moduler.
Det är viktigt att den totala spänningen (tomgångsspänning) för alla seriekopplade moduler inte överstiger växelriktarens ingångsspänning.
För att få önskad effekt parallellkopplas flera strängar i ett solcellsfält. Antalet moduler per sträng bör vara identiskt.
Växelriktare och energileverantörer
Eftersom solpaneler (1) till sin konstruktion ger en likspänning, måste den omvandlas till en växelspänning med hjälp av en växelriktare (2). Endast på detta sätt är det möjligt att leverera den till det offentliga nätet eller använda den internt (5) via en dubbelriktad mätare (3).
Växelriktare har ofta en anslutningsmöjlighet för ett energilagringssystem (4) eller Battery Energy Storage System (BESS). Energilagringssystemet är ett stort batteri som laddas med likström och sedan släpper ut likström igen.
Om solsystemet inte ger tillräckligt med elektrisk energi under dagar med dåligt väder eller ingen elektrisk energi i mörker, fungerar batteriet som en energikälla för konsumenterna innan elen tas från nätet.
Att bygga eller köpa en solcellsanläggning kräver en investering. Oavsett om systemet köps eller leasas. Därför är det självklart att du alltid vill hålla ett öga på systemets funktionalitet.
I det enklaste och billigaste fallet görs detta genom avläsning av elmätare. Mätaravläsningarna kan noteras med jämna mellanrum och sedan jämföras.
Alternativt är växelriktare med inbyggda funktionsdisplayer perfekta för att få en snabb överblick över solpanelernas aktuella prestanda. Speciellt om till exempel stapeldiagram med tidsaxlar visas.
I den mest kundvänliga versionen används dataloggrar för att lagra de olika karakteristiska värdena för systemet. Dessa data kan sedan enkelt hämtas när som helst och var som helst med hjälp av en smartphone.
Oavsett vilken typ av övervakning som används kommer meningsfulla empiriska värden om systemets prestanda i vissa vädersituationer att samlas in mycket snabbt.
På så sätt märker du också mycket snabbt om solsystemets prestanda plötsligt sjunker avsevärt eller om den vanliga höga prestandan inte längre uppnås.
Vårt praktiska tips: Ta hänsyn till nedbrytning vid bedömning av prestanda
Solpaneler utsätts oskyddade för väder- och miljöpåverkan året runt. Förutom de mekaniska påfrestning från regn, snö och hagel måste panelerna även tåla höga temperaturer, frost och en icke försumbar mängd UV-strålning. Sammantaget innebär detta att solcellsmoduler utsätts för naturligt åldrande eller prestandaförsämring (degradering). Kristallina solpaneler förlorar cirka 10-15% av sin effekt långsamt men kontinuerligt under en period på 20 till 25 år.
En fullständig dokumentation av systemet är nödvändig för att vid en senare felfunktion kunna lokalisera och åtgärda felet eller bristen på ett korrekt sätt. Dessa dokument bör begäras från systemplaneraren eller det implementerande företaget under installationen eller senast under idrifttagningen. Sträng- och kretsscheman samt mätprotokoll är här mycket användbara, eftersom strömvärdena i händelse av ett fel kan jämföras med driftsättningsdata från mätprotokollen.
Fel på växelriktaren
Den centrala komponenten i alla nätanslutna solelsystem är växelriktaren.
Denna ganska känsliga komponent reagerar mycket känsligt på starka ström- och spänningsvariationer. Men även yttre påverkan kan ha en negativ effekt på växelriktaren.
Om felmeddelanden visas via lysdioder eller på displayen bör bruksanvisningen alltid finnas till hands så att felkoden kan identifieras korrekt.
Vanligtvis beskriver dokumenten också eventuella ytterligare steg som måste eller kan utföras av dem som använder växelriktaren innan specialisterna kopplas in.
Skuggor och hotspots
I den vänstra figuren är alla solceller i en modul involverade i elproduktion (se röd linje). I den högra figuren överbryggas substraten med de skuggade cellerna (grå färg) av bypass-dioder.
Vid skuggning genererar de berörda cellerna å ena sidan ingen ström och å andra sidan beter de sig som ett störande motstånd. Detta minskar avsevärt strömutgången för de aktiva cellerna i modulen.
Eftersom de skuggade cellerna blir mycket varma på grund av den höga modulströmmen, skapas en hot spot som förr eller senare förstör cellen.
För att förhindra detta installerar tillverkarna så kallade bypass-dioder i solcellsmodulernas kopplingsboxar.
I det här fallet har dioderna ett betydligt lägre motstånd mot strömmen än de skuggade cellerna och kortsluter strängen med de drabbade cellerna. Detta förhindrar effektivt bildandet av hotspots.
Krypande prestandaförlust
En smygande förlust av prestanda kan, men behöver inte, vara relaterad till försämrade paneler. Det är ofta så att större och större träd eller buskar med tiden leder till partiell skuggning av solpanelerna.
Men storskaliga och ihållande föroreningar som inte längre lösgörs och avlägsnas av regnvatten kan också vara orsaken. I detta fall kommer en professionell rengöring av solpanelerna att öka avkastningen avsevärt igen.
Olika eller otillräcklig prestanda för strängar
Om alla strängar i ett solsystem är uppbyggda på samma sätt och modulerna är inriktade på samma sätt, kan man göra meningsfulla jämförande mätningar.
Detta visar mycket snabbt om strömmen i en sträng är lägre än i de andra strängarna.
Alternativt kan de uppmätta strömvärdena också jämföras med data från de mätprotokoll som upprättats vid idrifttagningen.
Så kallade strömtänger eller ampertänger är lämpliga för snabba och enkla strömmätningar eftersom strömkablarna inte behöver kopplas bort för mätningen.
Om ett solsystem har förlorat mätbar effekt måste orsaken till felet identifieras och åtgärdas. Det finns flera förfaranden för detta ändamål.
Optisk inspektion
När det har konstaterats att en sträng är defekt måste de solpaneler som ingår i strängen först genomgå en visuell inspektion. På så sätt kan man mycket enkelt se om t.ex. hagel har förstört glaset eller om det har bildats fina sprickor i glaset (s.k. slaggspår). Beroende på skadans ålder kan även spår av oxidation på grund av fuktinträngning lätt upptäckas.
Men även defekta kopplingsdosor eller kablar som skadats av djurbett kan upptäckas ganska enkelt vid en okulär besiktning. Lokala färgförändringar eller skador på den bakre folien kan också vara en indikation på potentiellt överhettade och defekta celler.
Test av mätning
Om de defekta modulerna är visuellt oansenliga och inte uppvisar några synliga skador, bör en metrologisk undersökning utföras. I detta solpaneltest är det mycket användbart att utföra flera jämförande mätningar med moduler av identisk konstruktion för att tydligt identifiera defekta moduler. De viktigaste parametrarna är förmodligen tomgångsspänningen och kortslutningsströmmen när modulerna är identiskt vända mot solen.
När det gäller moduler som inte längre når sin maximala effekt kan bypassdioderna potentiellt vara en felkälla.
Om dioderna är överbelastade och har en kortslutning kan de substrings som är associerade med dioden i modulerna inte bidra till kraftgenerering. Om dioderna har ett avbrott överbryggas inte längre felaktiga eller skadade celler i modulen, vilket också minskar effektuttaget.
Felaktiga dioder kan kontrolleras mycket enkelt med en multimeter. För att undvika felaktiga mätningar bör dioderna tas bort eller åtminstone lödas på ena sidan. I vår multimetermanual har vi beskrivit hur du mäter dioder.
Vårt praktiska tips: Försiktighet vid mätning av solpaneler
Till skillnad från den ovan nämnda strömmätningen med en amperemeter kräver ytterligare mätningar omfattande erfarenhet av elektronik och solteknik. Dessutom måste man ha goda kunskaper om risker och nödvändiga säkerhetsåtgärder. I större system där många moduler är seriekopplade till en sträng kan nämligen spänningar på flera 100 V uppstå, även vid svag solstrålning.
Termografi med värmekameror
Naturligtvis kan den optiska och metrologiska inspektionen bara utföras om modulerna är lättåtkomliga, till exempel i en fältinstallation. Om modulerna är monterade på taket till ett högt hus blir inspektionen svårare. I detta fall, eller vid omfattande solcellsfält med ett mycket stort antal solcellsmoduler, har termografering med hjälp av en helikopter eller drönare visat sig vara den bästa metoden.
Följande termografibilder visar exempel på hur de olika felen i solinstallationer lätt kan identifieras, även av mindre erfarna personer, på grund av de tydligt synliga skillnaderna i ljusstyrka.
Modul med hotspots
Modul med felaktiga substrings
Modul fullständigt fel
Sträng är helt avstängd
För att få meningsfulla bilder vid termografi måste den totala strålningen vara minst 600 W per kvadratmeter eller helst 800 till 1000 W per kvadratmeter. Betraktningsvinkeln mot modulerna eller värmekamerans mätvinkel bör också vara 50° till 80°.
Erfarenheten visar dock att experter som utför sådana drönarflygningar med värmekameror vet mycket exakt när och hur mätningarna ska utföras. Baserat på mätutvärderingarna eller bilderna kan sedan ytterligare steg för reparation initieras.
Huruvida en defekt solpanel kan repareras beror på flera faktorer:
Typ av skada
Tekniska defekter som skadade anslutningskablar, brända anslutningskontakter, felaktiga kopplingsdosor eller till och med felaktiga bypass-dioder kan vanligtvis repareras enkelt, snabbt och utan större ansträngning.
Vårt praktiska tips: Förnya bypass-dioderna
Viktigt: Om defekta dioder måste bytas ut är det absolut nödvändigt att använda Schottky-dioder med de ström- och spänningsvärden som krävs. Detta beror på att dessa dioder har ett betydligt lägre spänningsfall i flödesriktningen än vanliga kiseldioder.
Det blir svårare om glaset i toppen av modulen är skadat. Då uppstår frågan om det bara är glaset som är skadat eller även solcellerna undertill.
I så fall måste den skadade solcellsmodulens aktuella prestanda först fastställas tydligt med hjälp av en mätning.
Om skadan redan är äldre kommer fukt och smuts som tränger in med tiden att leda till oxidation av solcellerna som sitter under glaset eller av deras anslutningar (se även illustrationen i avsnittet om optisk inspektion).
Ålder, storlek och skick
Om orsaken till prestandaförsämringen inte tydligt kan identifieras är det nödvändigt att kontrollera hur gammal panelen är. Faktum är att PV-tillverkare ibland ger en ganska lång prestandagaranti på sina solpaneler. I tveksamma fall kan samråd med säljaren ge klarhet.
Det händer ibland att glasplattan på nya moduler skadas under transporten. De drabbade panelerna producerar då fortfarande de maximala värden för spänning och ström som anges i databladen. I detta fall är det möjligt att försegla modulens trasiga glasskiva med en lämplig gjutharts eller lack och på så sätt rädda modulen.
För äldre och mindre moduler, som inte heller längre ger full effekt, lönar det sig inte längre att försegla. I detta fall är det bättre att byta ut den defekta modulen. Tyvärr händer det gång på gång att en modul i den storlek och med den effekt som krävs inte längre finns tillgänglig i handeln. I detta fall kan företag som är specialiserade på att reparera och bygga om defekta solcellsmoduler hjälpa till. På grund av det ständigt växande antalet solcellsinstallationer är både dessa specialiserade företag och experter på installation och service av solceller (solcellsinstallatörer) lätta att hitta på internet.
Omfattande visuella inspektioner eller noggranna strömmätningar med en amperemeter är aktiviteter som måste utföras regelbundet på solinstallationer. Med lite teknisk kunskap är dessa uppgifter enkla att utföra.
Men om större skador på solcellssystemet måste repareras bör arbetet utföras av beprövade experter. Särskilt eftersom arbetet ofta måste utföras på höga höjder och kräver omfattande expertis.
Även om det finns flera videor på relevanta videoportaler om byte av defekta bypass-dioder eller tätning av defekta solcellsmoduler, avråder vi starkt från att göra arbetet själv om du inte har den nödvändiga expertisen. Det är bättre att välja högkvalitativa solcellsmoduler i förväg och teckna en lämplig solcellsförsäkring som täcker alla kostnader för reparationer och förlust av användning vid till exempel hagelstormar.