Was, wenn … Bypassdioden ausfallen?

Dieser hypothetische Fall ist realistisch und zeigt, wie O&M-Dienstleister Enovos dem Problem auf die Spur kommen würde, wenn die erste Indikation ein Ertragsproblem ist und dahinter zehn Prozent der Bypassdioden ausgefallen sind.

Die Anlage: Freiflächenanlage mit fünf Megawatt Leistung, die 2011 in Betrieb gegangen ist. Sie nutzt einen Zentralwechselrich­ter und hat ein strangaufgelöstes Monitoring. Die Module sind mit 30 Grad nach Süden ausgerichtet. Über einen Einstrah­lungs­sensor wird die Performance Ratio der Anlage ermittelt.

Das meldet das Monitoringsystem: In vielen Strängen zeigen sich negative Abweichungen von Strömen einiger Stränge im Vergleich zu anderen Strängen, die in der Anzahl der angeschlossenen Module, im Neigungswinkel und der Ausrichtung ähnlich sind. Die Performance Ratio der Anlage ist niedriger als an Tagen mit vergleichbarer Einstrahlung im gleichen Monat des Vorjahres. Die Monitoringsoftware meldet einen Fehler in der Anlage. Bei genauerer Betrachtung der Ertragskurven an Tagen mit hoher Sonneneinstrahlung sind vereinzelt Knicke in den Kurven, also plötzliche Strangstromabfälle, zu beobachten, die nicht wieder ansteigen.

pv magazine Webinar (auf Englisch)

New monitoring options promise greater control at lower costs

Monday, 20. November 2017
5 pm – 6 pm

Register now for free!

Are conventional monitoring methods for solar plants actually substandard? Or do solutions providers simply make such claims as a marketing tactic?

In pv magazine’s upcoming webinar, you will have the chance to form your own opinion. Analyst Götz Fischbeck has investigated the pros and cons of the main options that are currently available, particularly SunSniffer’s module-level monitoring system. Ingmar Kruse, CEO of SunSniffer and a sponsor of this webinar, maintains that for an additional investment of just $0.02/Wp, investors can reduce their O&M costs by 20%. This could radically change current O&M practices, as site engineers would no longer have to waste their time looking for degraded modules, connectors, or other defects. Instead, they could use a mobile app to precisely identify modules that are contributing to yield losses that exceed certain thresholds of acceptability.

pv magazine editors will moderate this webinar and give conclusions drawn from this troubleshooting series into the discussion.

Vermutung: Die plötzlichen spontanen Einbrüche in den Strangströmen deuten auf den Ausfall von einer oder mehreren Bypassdioden in verschiedenen Modulen hin. Der Ausfall einer Bypassdiode in einem Modul hat in der Regel die Abschaltung eines von drei Zellstrings innerhalb eines Moduls zur Folge. Die Modulleistung sinkt also schlagartig um ein Drittel. Ein Ertragseinbruch dieser Größenordnung und bei mehreren Modulen ist bei guten Einstrahlungsverhältnissen in der Ertragskurve eines Strangs erkennbar. Bei schwacher Einstrahlung kann dieser Effekt deutlich schlechter zu erkennen sein. Der Ausfall einer einzelnen Bypassdiode in einem Messkanal mit 48 Modulen führt immerhin nur zu einer Abweichung des Strangstroms von unter einem Prozent.

Da diese Effekte in den Kennlinien mehrerer Stränge auftreten, ist es wahrscheinlich, dass es sich nicht um ein einzelnes lokales Problem handelt, sondern die Probleme in der gesamten Anlage verteilt sind. 100-prozentig sicher, dass es sich um ausgefallene Bypassdioden handelt, kann man sich trotzdem nicht sein. Es könnte sich beispielsweise auch um Verschmutzungen handeln, die aber nicht plötzlich auftreten. Im Falle eines Blitz­einschlages hingegen werden die Probleme in der Regel nur in einem bestimmten Teil der Anlage in dieser Größenordnung auftreten und nicht in der gesamten Anlage.

Maßnahme zur Identifikation des Fehlers und der betroffenen Module: Der Gesamtertrag der Anlage ist aufgrund des vorliegenden Problems bereits um mehr als vier Prozent gesunken. Die Anlage aus dem Jahr 2011 erhält eine Einspeisevergütung von 21,11 Cent pro Kilowattstunde. Würde die Anlage fehlerfrei laufen, würde sie rund fünf Millionen Kilowattstunden pro Jahr erzeugen und diese gegen eine Vergütung von 1.055.500 Euro pro Jahr in das öffentliche Netz einspeisen. Eine Ertragsminderung von vier Prozent würde jährliche Mindereinnahmen von mehr als 42.000 Euro bedeuten. Bei dieser Summe lohnt sich in jedem Fall eine Untersuchung des Problems, da die Kosten für Fehlersuche und -behebung wahrscheinlich niedriger liegen als ihr Nutzen.

Da der Fehler über die gesamte Anlage verteilt zu sein scheint, werden zuerst stichpunktartig Untersuchungen (unter anderem mit einer Thermografiekamera) vorgenommen, um das Fehlerbild eingrenzen zu können. Kennlinienmessungen oder ähnliche Untersuchungen von allen Strängen oder Modulen sind zu diesem Zeitpunkt zu aufwendig. Nach der Entdeckung der ausgefallenen Dioden an einer nennenswerten Anzahl an Modulen gilt es, den genauen Umfang des Problems und die Positionen der ausgefallenen Dioden beziehungsweise Module festzustellen. Daher entscheidet sich der Betriebsführer für eine Thermografieuntersuchung der gesamten Anlage mittels einer Drohne. Für diese wird ein Schätzpreis von etwa 1.000 Euro pro Megawatt veranschlagt. Die Aufnahmen kann ein Drohnenpilot in weniger als einem Tag anfertigen, vorausgesetzt es handelt sich um einen Tag mit durchgängig hoher Sonneneinstrahlung.

Die Entscheidung fällt zusätzlich leicht, weil im Thermografiebild auch andere Defekte sichtbar werden, die zum Beispiel inaktive oder überhitzte Zellen zur Folge haben. Sollte das Problem also nicht bei den Bypassdioden liegen, werden die Messungen trotzdem helfen.

Da für brauchbare Aufnahmen, in denen auch kleinere Auffälligkeiten sichtbar werden, eine hohe Sonneneinstrahlung Voraussetzung ist, muss entsprechend geplant werden. In Deutschland kann es einige Tage oder Wochen dauern, bis entsprechend gute Wetterverhältnisse herrschen. Dann muss man schnell agieren.

Auch wenn die Anfertigung der Aufnahmen relativ schnell geht (bei Drohnenthermografie sind bis zu zehn Megawatt pro Tag möglich), kann die Auswertung der Bilder durch einen externen Dienstleister einige Wochen dauern.

Auswertung der Untersuchung: Im Thermografiebild zeigt sich, dass rund zehn Prozent der Module einen oder mehrere ausgefallene Zellstrings aufweisen. Dies wiederum bestätigt die Vermutung, dass die Ertragsminderung durch ausgefallene Bypassdioden verursacht wird.

Die Enovos Renewables O&M GmbH, kurz Erom, ist ein klassischer herstellerunabhängiger Dienstleister für technische Betriebsführung. Leiter Operations & Maintenance ist Richard Rath. Vom Sitz in Berlin werden Photovoltaikanlagen in Berlin und im Großraum Brandenburg vollständig mit eigenem Personal betreut. Anlagen an anderen Orten und im Ausland werden von regionalen Partnern vor Ort versorgt. Die Leitwarte arbeitet mit allen marktgängigen Monitoringsystemen. Erom ist die O&M-Abteilung der ehemaligen Q-Cells. Zwischenzeitlich wurden auch O&M-Verträge von Solon übernommen. Das Portfolio umfasst zurzeit 460 Megawatt.

Folgen der Untersuchung: Die Produktgewährleistung greift bei diesen Modulen nach der Betriebszeit von sechs Jahren nicht mehr. Da die Leistung eines Moduls aber bei einer dauerhaft ausgefallenen Bypassdiode um mindestens 30 Prozent sinkt, kann der Bertreiber sich gegenüber dem Hersteller auf die gewährte Leistungsgarantie berufen. Diese garantiert auch nach 20 Jahren Betriebszeit noch eine Leistung von in der Regel 80 Prozent der Ausgangsleistung. Auch wenn die Kosten für den Ausbau der kaputten Module und den Wiedereinbau der Ersatzmodule vom Betreiber übernommen werden müssen, lohnt es sich aufgrund der hohen Ertragsverluste, den Garantiefall geltend zu machen und die defekten Module auszutauschen. Der Austausch der defekten Module wird entsprechend umgesetzt.

Falls der Modulhersteller nicht mehr am Markt tätig und seine ursprüngliche Modulgarantie also wertlos geworden ist, lohnt es sich, die Modulanschlussdose und die Dioden genau in Augenschein zu nehmen. Bei Modulen dieser Zeit wurden oft Steckdioden verwendet, die sich mit wenigen Handgriffen und mit Materialkosten im Cent-Bereich austauschen lassen, um wieder ein vollwertiges Modul zu erhalten. Falls die Dioden eingelötet sind, steigt der Aufwand. Falls die Anschlussdosen allerdings vergossen sind, lassen sich die Dioden nicht mehr tauschen; es bleibt aber immer noch die Möglichkeit, die gesamte Anschlussdose zu verträglichen Kosten zu tauschen. Normalerweise würde man mit einem solchen Vorgehen die Modulgarantie riskieren, die aber in unserem Falle ja sowieso hinfällig ist.

Aufwand der Fehlersuche in diesem Fall

Abschätzung der Kosten für die Fehlersuche nach Fehlermeldung durch das Monitoring:
Etwa 5.000 Euro für die Thermografieuntersuchung + ein Manntag

Abschätzung der Wartezeit, bis die Module lokalisiert sind:
Einige Wochen

 

Wenn Sie sich an solch einer Kostenschätzung beteiligen wollen oder Anregungen zu einem effizienteren Umgang mit den Fehlern haben, freuen wir uns über eine E-Mail an michael.fuhs@pv-magazine.com (Stichwort „Fehlersuche“).