Thermografie gegen Brandgefahr bei Halbzellen-Modulen

Während vor einigen Jahren Solarmodule mit überwiegend quadratischen Zellen produziert wurden, werden heute Vollzellen zunächst halbiert und die Module aus den so entstandenen Halbzellen gefertigt. Da sich der Strom einer Halbzelle halbiert, sinken interne Verluste im Modul erheblich, was zu einer Wirkungsgradsteigerung von drei Prozent gegenüber einem mit Vollzellen aufgebauten Modul führt.

Würden, wie beim Vollzellenmodul, 20 Halbzellen zu Substrings in Reihe geschaltet, mit einer Bypassdiode geschützt und dann, wie üblich, drei Substrings in Reihe geschaltet, bekäme man ein Modul mit gleicher Spannung, aber halbem Strom und somit halber Leistung, aber auch mit halber Fläche. Deshalb werden beim Butterfly-Layout zwei Halbmodule parallel geschaltet. Hierbei teilen sich die parallel liegenden Substrings der beiden Halbmodule die in der Mitte befindlichen Verbindungsbändchen. Die an diesen Bändchen angebrachten Bypass-Dioden schützen somit jeweils den zugehörigen Substring des oberen und des unteren Halbmoduls gemeinsam.

Defekte Lötstellen im Vollzellenmodul

Bei Vollzellenmodulen werden die Substrings mit Verbindungsbändchen zur Anschlussdose geführt und dort mit den Anschlussleitungen, den Bypass-Dioden und dem nächsten Substring verlötet. Tritt hier ein Lötfehler auf, wird diese Verbindung unterbrochen und trennt somit den betroffenen Substring von den anderen. Der Strangstrom kann dennoch durch die zugehörige Bypass-Diode fließen. Der abgetrennte Substring liefert keinen Strom und keine Leistung, er ist somit im Leerlauf. Thermografisch, also mit einer Infrarotkamera, ist der Fehler deutlich zu erkennen, da der nicht angeschlossene Substring sich um wenige Grad erwärmt (und nicht, wie oft fälschlich angenommen, kälter ist). Neben den erwärmten Zellen ist auch die aktive und somit ebenfalls erwärmte Bypass-Diode deutlich erkennbar.

Defekte Lötstellen im Butterfly-Modul

Beim Butterfly-Modul sind die Substrings direkt über Bändchen in Reihe geschaltet. Moderne Zellen werden mit zehn oder mehr Verbindern an diese Bändchen gelötet, so dass eine Unterbrechung zwischen den Substrings durch Lötfehler kaum möglich ist. Dennoch müssen auch hier die Anschlussleitungen und Bypass-Dioden mit den Verbindungsbändchen verlötet werden. Bei drei Bypass-Dioden, jede in einer eigenen kleinen Dose auf der Modulrückseite, sind dies sechs Lötstellen. Ein Lötfehler zwischen Bändchen und Anschlussleitungen unterbricht die Verbindung zum ersten beziehungsweise letzten oberen und unteren Substring. Wie beim Vollzellenmodul fallen die betroffenen Substrings aus, der Strangstrom fließt über die Bypass-Diode. Auch dieser Fehler kann mit Thermografie leicht gefunden werden. Neben den erwärmten Zellen der parallelen Substrings sieht man auch hier die durch den Strangstrom erwärmte Bypass-Diode (in der Mitte des Moduls zwischen den beiden Substrings der parallelen Halbmodule).

Ein Lötfehler kann jedoch auch an den anderen vier Lötstellen auftreten. Da die Substrings über die Bändchen verbunden bleiben, führt an diesen Stellen eine ungenügende Lötstelle nicht zu einem Substring-Fehler. Stattdessen ist die Bypass-Diode nicht mit den Bändchen verbunden und somit inaktiv. Solange die Diode ihre Schutzfunktion nicht wahrnehmen muss, bleibt dies ohne Auswirkung auf das Betriebsverhalten des Moduls und somit des Generators. Auch ergibt sich keine thermische Signatur. Der Fehler bleibt somit zunächst unbemerkt.

Wird hingegen, etwa bei einer Verschattung, die Schutzfunktion der Bypass-Diode notwendig, kommt es zu sehr hohen Temperaturen bei der jetzt ungeschützten verschatteten Zelle. Diese wird durch den hohen Strom der unverschatteten Zellen zum Verbraucher, die an der Zelle anliegende Leistung wird in Wärme umgewandelt. Die dabei auftretenden hohen Temperaturen zerstören die Zelle, bei Glas-Folien-Modulen verkohlt die Rückseitenfolie, bei Glas-Glas-Modulen reißen die Modulgläser. Sind jetzt brennbare Materialien in der Nähe, bedeutet dies hohe Brandgefahr.

Thermografie als sicherheitsrelevante Überprüfung

Weil ein Lötfehler beim Vollzellenmodul gut zu erkennen ist und nur bei hoher Anzahl zu nennenswerten Ertragsverlusten führt, sind Sicherheitsprobleme kaum zu erwarten. Anders beim Butterfly-Modul. Hier führen bereits zwei von sechs möglichen Fehlerstellen zum Ausfall von Substrings, die als thermografische Signatur im Betrieb sichtbar sind. Doppelt so oft muss bei Lötfehlern mit einer ausgefallenen Bypass-Diode gerechnet werden, die aber im normalen Betrieb keine erkennbare thermische Signatur liefert und daher mit dieser einfachen Methode nicht nachweisbar ist. Eine messtechnische Kontrolle, ob alle Bypass-Dioden angeschlossen sind, ist nur mit einigem Aufwand möglich.

Es ist anzunehmen, dass Lötfehler keine häufigen und ständig auftretenden Probleme bei der Modulfertigung darstellen, da es sehr viele Anlagen ohne erkennbare Substring-Fehler gibt. Bekannt ist aber, dass bei Halbzellenmodulen unterschiedlicher Hersteller wieder Substring-Fehler beobachtet werden können. Darunter befinden sich auch Hersteller, die vom renommierten Informationsdienstleister Bloomberg als „Tier 1“-Fabrikanten gelistet werden. Diese Hersteller liefern normalerweise hochwertige und überwiegend fehlerfreie Module. Die steigende Anzahl von Substring-Fehlern zeigt aber, dass prinzipiell bei allen Herstellern damit gerechnet werden muss, dass Lötfehler zumindest chargenweise auftreten.

Aufgrund der möglicherweise hohen Brandgefahr stellt sich also die Frage, welche Messungen bei der Inbetriebnahme durchgeführt werden sollten, um das Risiko auf ein akzeptables Maß zu verringern. Sobald Substring-Fehler auftreten, muss davon ausgegangen werden, dass sich auch Module mit nicht aktiven Bypass-Dioden in der Anlage befinden. Als Mindestforderung ergibt sich daher eine stichprobenhafte thermografische Überprüfung der Module im Rahmen der Inbetriebnahme. Ist dabei kein Substring-Fehler erkennbar, kann von einer geringen Wahrscheinlichkeit von Lötfehlern und somit von Diodenausfällen ausgegangen werden.

Besteht nur geringe Brandgefahr, wie bei Freiflächenanlagen oder Anlagen auf nicht brennbaren Dacheindeckungen, kann diese Erstprüfung zunächst ausreichend sein. Mit steigender Brandgefahr sollten jedoch weitere thermografische Untersuchungen durchgeführt werden. Da fehlerhafte Lötstellen sich häufig erst im Laufe des ersten Betriebsjahres zeigen, kann eine zweite Überprüfung spätestens nach einem Jahr sinnvoll, bei Dachanlagen mit potenziell brennbaren Dacheindeckungen sogar notwendig sein. Ob weitere Überprüfungen durchgeführt werden sollten und ob eine Kontrolle aller Module notwendig ist oder aber eine Stichprobe ausreicht, hängt wiederum von der möglichen Brandgefahr ab.

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Der Autor Udo Siegfriedt ist Gutachter bei der DGS Berlin-Brandenburg, die unter anderem die Wissensplattform pv-wissen.de betreibt. Er berät und unterstützt bei der technischen Planung, arbeitet an Normen mit und ist Dozent an der DGS-Solarschule.