Fehlersuche bei Photovoltaik-Systemen: drei typische Probleme

Vor dem Hintergrund des Trends hin zu einer unabhängigen Energieversorgung und erneuerbaren Energiequellen müssen HLK-Techniker wissen, wie sie an Photovoltaik-Systemen nach Fehlern suchen können.

Über diesen Kabelkanal werden einige Solarzellen miteinander verbunden.

von Ron Auvil

Angesichts der Energiesituation und der damit verbundenen Probleme wurden in den letzten Jahren die Bemühungen verstärkt, mehr Energie aus erneuerbaren Quellen zu beziehen. Die Richtlinien staatlicher und bundesstaatlicher Behörden schreiben in zunehmendem Maße den Einsatz von Solarenergie vor. Ein HLK-Techniker, der ein anderes Gerät im Gebäude wartet, trifft womöglich auf Solaranlagen. Da die Konzepte und der Aufbau dieser Systeme für HLK-Techniker neu sind, bietet sich an dieser Stelle eine kurze Übersicht über diese Systeme an.

Photovoltaik-Systeme wandeln Sonnenlicht (Fotoenergie) in elektrische (voltaische) Energie um. Das Sonnenlicht, das auf das Halbleitermaterial in den einzelnen Zellen trifft, veranlasst die Elektronen dazu, sich durch ein Kabel zu bewegen. Die von Photovoltaik-Systemen erzeugte Energie eignet sich dafür, verschiedenste Geräte von Haushaltsgeräten bis zu kommerziellen Produktionsanlagen zu betreiben.

Eine PV-Anlage wird meist auf einem Dach befestigt, das möglichst so genau wie möglich nach Süden zeigt. Hindernisse werden umgangen. Beachten Sie das im Winter aufgrund der kürzeren Tage weniger Energie erzeugt wird als im Sommer. Die maximale Energiegewinnung findet mittags und nicht morgens oder abends statt.

Zu manchen PV-Anlagen werden „Echtzeit“-Computerdisplays installiert, in denen die Menge der von der PV-Anlage erzeugten Energie, die finanziellen Einsparungen und die dadurch eingesparte Kraftstoffmenge angezeigt werden. Es ist sehr erfreulich, dass viele Einrichtungen führend auf dem Weg zur Energieunabhängigkeit sind und die Menge schädlicher Emissionen in die Atmosphäre verringern.

Die in einer Solaranlage erzeugte Energie kann von der Einrichtung unmittelbar genutzt, gespeichert oder in manchen Fällen wieder an das lokale Elektrizitätswerk verkauft werden.

Es ist verständlich, dass Einrichtungen, in denen PV-Anlagen installiert sind, von HLK-Technikern erwarten, zumindest die Grundlagen dieser Technik zu kennen. Da solche Systeme immer häufiger verwendet werden, kann von uns gelegentlich erwartet werden, dort grundlegende Fehlersuchen durchzuführen.

Komponenten einer PV-Anlage

Eine PV-Anlage besteht allgemein aus folgenden Komponenten:

Einzelne Zellen.

Eine einzelne Zelle ist eine kleine Komponente einer PV-Anlage. Eine Zelle besteht aus Halbleitermaterial, einer Stützstruktur und einem transparenten Material, durch das das Sonnenlicht auf dem Halbleitermaterial auftreffen kann. Die Zelle muss physisch solide sein, da sie dem Wetter ausgesetzt ist. Das transparente Material, das die Zelle bedeckt, muss auch flecken- und schmutzabweisend sein. Jede einzelne Zelle erzeugt nur ein paar Watt Strom.

Module und Arrays

Ein Modul besteht aus einer Reihe von Zellen, die an den Seiten miteinander verbunden sind. Module können je nach Bedarf zum Erreichen der gewünschten Spannung und Stromstärke in Serie oder parallel geschaltet werden. Da eine einzige Zelle nur eine geringe Menge an Elektrizität erzeugt, müssen die Zellen in großer Zahl zusammengelegt werden, um nennenswerte Strommengen zu erzielen. Diese Module können entsprechend recht groß werden, die maximale Größe ist allerdings durch die Maße des Daches vorgegeben. Zusammengefügte Module werden Arrays genannt. Durch die Verbindung dieser einzelnen Zellen entstehen besagte Arrays. Diese Arrays werden dann an einem zentralen Punkt miteinander verbunden.

Strahlungsbündler und Kombinatoren

Ein Strahlungsbündler und Kombinator ist ein zentraler Verdrahtungspunkt für die Zellen und Module. Hier befindet sich die Gesamtstromleistung des gesamten Solar-Arrays. Auch wenn der Ausgangsstrom einer einzelnen Solarzelle klein ist, sind an dem Punkt, an dem mehrere Module miteinander verbunden sind, mehrere Ampere Strom vorhanden. Die Dosierung und Aufbereitung der Energie kann auch am Strahlungsbündler erfolgen. Der Strahlungsbündler wird dann an einen Stromspeicher oder einen Wechselrichter angeschlossen. Der Speicher kann aus einer großen Anzahl an Akkus bestehen.

Wechselrichter

In einer Solaranlage wird Gleichstrom erzeugt. Die überwiegende Zahl der Lasten in einem Gebäude sind wechselstrombasiert. Ein Wechselrichter dient der Umwandlung des von den Modulen erzeugten Gleichstroms in nutzbaren Wechselstrom. Der Ausgang des Wechselrichters kann auch mit dem lokalen Energieversorgungsunternehmen verbunden werden, sodass überschüssige ungenutzte Energie wieder in das Netz gelangt, vom Energieversorger aufgekauft wird und von anderen Kunden genutzt werden kann. Mess- und Stromüberwachungsgeräte sind auch hier installiert.

Da eine PV-Anlage sich aus nur wenigen Komponenten zusammensetzt, kann nur an wenigen verschiedenen Stellen etwas schiefgehen. Wie bereits erwähnt, sind die Hauptkomponenten die Zellen, Module, Arrays, Strahlungsbündler/Kombinator und Wechselrichter. Die PV-Anlage im Gebäude kann die HLK-Geräte mit Strom versorgen, aber sich auch auf die Netzqualität im Gebäude auswirken. Das bedeutet, dass HLK-Techniker einige grundlegende Kenntnisse in der Fehlersuche benötigen. (Schließlich erwartet man doch von uns, dass wir mit allen Komponenten auf dem Dach umgehen können, oder?)

Drei typische Situationen bei der Fehlersuche an PV-Anlagen

Ein Techniker legt zur Vorbereitung auf die Fehlersuche an einer Photovoltaik-Anlage die flexible Stromzange iFlex™ eines 381er-Messgeräts an.

In den folgenden Beispielen profitiert derjenige, der die Fehlersuche vornimmt, von den Funktionen der neuen Echteffektiv-Strommesszange Fluke 381 mit abnehmbarem Anzeigemodul und iFlex™. Sie können für einen Großteil Ihrer Arbeiten eine Echteffektiv-Gleich-/Wechselstrommesszange mit Spannungsmessfunktionen verwenden. Wir haben uns wegen der Drahtlosfunktion (Remote-Anzeige und -Display) für das Fluke 381 und die flexible Stromzange iFlex™ entschieden. Der iFlex™-Tastkopf ist für die Fehlersuche bei solchen photovoltaischen Problemen unverzichtbar. Da Modul und Array über viele Kabel mit dem Strahlungsbündlerkasten verbunden sind, sind die Abzweigdosen voll von einzelnen Kabeln. Mit dem iFlex™-Tastkopf ist die Messung der einzelnen Modulkabel VIEL einfacher und dadurch auch schneller und genauer.

Fehlersuche bei Problem Nr. 1: Zelle/Modul/Array

Wie bei jedem Anruf zur Fehlersuche versuchen Sie, vom Kunden so viele Informationen wie möglich zu erhalten. Versuchen Sie, herauszufinden, wann das Problem aufgetreten ist und wann die PV-Anlage zuletzt funktionierte. Versuchen Sie, so viele Informationsmaterialien wie Ausdrucke, Ausgangsdaten und Schaltpläne wie möglich zu erhalten.

Ein guter Ausgangspunkt ist der Ausgang des gesamten Systems am Messsystem oder Wechselrichter. Bevor Sie sich auf das Dach begeben, prüfen Sie die Eingangsspannung des Wechselrichters und den aktuellen Pegel vom Array und halten Sie diese fest. Wenn die gesamte PV-Anlage inaktiv ist und nicht genügend Strom erzeugt, kann ein Problem mit dem Wechselrichter vorliegen. Wenn die PV-Anlage bei verringerter Leistung arbeitet, kann das Problem bei einem der Arrays oder Module liegen. Sie müssen die einzelne Verzweigungsleitung zurück zum Strahlungsbündler herausfinden. Auch diese Aufgabe lässt sich mit der iFlex™ leichter erledigen als sonst.

Zur Messung des Ausgangsstroms dieser Solarzelle schließt ein Techniker die flexible Stromzange 381 iFlex™ um den Leiter.

Wenn Sie auf das Dach steigen, nehmen Sie eine Sichtprüfung des gesamten Systems auf offensichtliche Beschädigungen vor. Bedenken Sie, dass jemand beim Warten eines anderen Gerätes auf dem Dach auch versehentlich die Verkabelung getrennt haben kann. Wenn Sie das Modul oder Array, das keinen Strom erzeugt, gefunden haben, prüfen Sie sämtliche Verkabelungen, Sicherungen und Leistungsschalter. Ersetzen Sie durchgebrannte Sicherungen und setzen Sie Leistungsschalter und Schalter zurück. Denken Sie an die Möglichkeit eines Blitzschlags oder einer Überspannung, da sich die PV-Anlage auf dem Dach befindet. Wenn viele Verkabelungen vorhanden sind, schauen Sie nach beschädigten Kabeln und losen oder verschmutzten Anschlüssen. Ersetzen und reinigen Sie sie nach Bedarf. Schauen Sie insbesondere nach Kabelverbindern, die Module miteinander verbinden. Sie könnten sich gelockert oder keinen Kontakt mehr haben.

Die Strahlungsbündler eignen sich besonders zur Fehlersuche am System, da die einzelnen Kabel der Module hier wieder zusammengeführt werden. Jedes Modul kann eine Sicherung enthalten, die mit dem 381er-Messgerät zu prüfen ist.

Verkabelungsprobleme und lose Verbindungen können auch dazu führen, dass in einem bestimmten Modul eine zu niedrige Spannung erzeugt wird. Es sollten wiederum alle Kabelverbindungen geprüft werden. Wenn die Ausgangsspannung an einem bestimmten Modul gering ist, kann das bedeuten, dass ein einzelner Zellenabschnitt fehlerhaft ist. Dies lässt sich mit der Stromzange 381 an den Verteilerkästen nachverfolgen, bis die Fehlerursache gefunden wurde.

Jeglicher Schmutz auf den Modulen sowie im Schatten stehende Module können zu einer verringerten Ausgangsspannung führen. Auch wenn die Module meist auf mehrere Jahre ohne Wartung ausgelegt sind, müssen sie ggf. gereinigt werden. Pollen können in einigen Landesteilen problematisch sein. Prüfen Sie nach den Korrekturen das System mit der Stromzange 381.

Fehlersuche Problem Nr. 2: Last

Denken Sie daran, dass die PV-Anlage auf den Betrieb elektrischer Lasten im Gebäude ausgelegt ist. Sämtliche Probleme mit den Lasten wirken sich ebenfalls auf das System aus. Der erste Schritt besteht darin, die Sicherungen und Leistungsschalter der Lastschalter mit dem 381er-Spannungsmessgerät zu prüfen, um festzustellen, ob am Lastanschluss die richtige Spannung anliegt. Prüfen Sie anschließend mit der 381 die Sicherungen und Leistungsschalter. Bei durchgebrannten Sicherungen oder ausgelösten Schaltern suchen Sie nach der Ursache und beheben Sie die fehlerhafte Komponente oder tauschen Sie sie aus. Wenn die Last ein Motor ist, könnte ein interner Wärmeschutzschalter ausgelöst werden oder im Motor könnte eine offene Wicklung vorhanden sein. Schließen Sie zu Testzwecken eine andere Last an, und schauen Sie, ob alles ordnungsgemäß funktioniert.

Schauen Sie wie in jedem elektrischen System nach beschädigten Kabeln und lockeren Anschlüssen. Reinigen Sie alle verschmutzten Anschlüsse und tauschen Sie alle defekten Kabel aus. Prüfen Sie bei abgeschaltetem Strom auf Erdungsfehler, um diese ggf. zu beheben. Wenn Sicherungen oder Leistungsschalter durchbrennen oder erneut ausgelöst werden, liegt ein Problem mit einem Kurzschluss vor, der lokalisiert und behoben werden muss.

Wenn die Last immer noch nicht richtig funktioniert, prüfen Sie mit der Messzange 381 die Systemspannung am Lastanschluss. Die Kabelgröße ist u. U. zu gering und muss erhöht werden. Es ist auch möglich, dass die Kabelläufe zur Last zu lang sind. Dies zeigt sich an der Last in Form einer niedrigen Spannung. In diesem Fall können Sie die Last am Schaltkreis reduzieren oder ein größeres Kabel verwenden.

Fehlersuche Problem Nr. 3: Wechselrichter

Viele HLK-Techniker haben es bei ihrer Arbeit täglich mit Antrieben mit regelbarer Drehzahl zu tun und sind es daher gewohnt, Gleich- und Wechselstrom zu prüfen. Der Wechselrichter in einer PV-Anlage kann ebenfalls ausfallen und Fehler verursachen. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung der PV-Anlage in den Wechselstrom zur Nutzung im Gebäude um. Wenn der Wechselrichter nicht die richtige Ausgangsspannung erzeugt, prüfen Sie mit dem Spannungsmesser und Gleichstrommesser die Gleichstrom-Eingangsspannung und das Spannungsniveau des Wechselrichters und zeichnen Sie dieses auf. Prüfen Sie auf der Wechselstromseite mit der Strommesszange 381 die Ausgangsspannung und die Spannungspegel des Wechselrichters. Wie zuvor bereits erwähnt, sind viele dieser Systeme mit einem Display ausgestattet, auf dem die aktuellen Betriebseigenschaften des Wechselrichters und des Systems angezeigt werden. Bedenken Sie, dass die Strommesszange 381 einen Echteffektiv-Messwert angibt. Sie können anhand der Spannung und des Stroms die Ausgangsleistung in Kilowatt (kW) messen und aufzeichnen. Auf dem Display des Wechselrichters können die aktuellen Kilowattstunden (kWh) angezeigt werden. Sie können diesen Wert aufschreiben und mit dem während der letzten Prüfung aufgezeichneten Wert vergleichen.

Wenn der Wechselrichter nicht die richtige Strommenge erzeugt, können verschiedene Probleme entstehen, die sich alle mit der Strommesszange 381 leicht überprüfen lassen:

  • durchgebrannte Sicherung
  • ausgelöster Leistungsschalter
  • beschädigte Kabel

Mit der Strommesszange 381 lässt sich auch die Wechselstromseite des Wechselrichterausgangs messen, da die Last des Wechselrichters mit einem möglicherweise zu hohen Strombedarf einhergeht. Es ist dann Ihre Entscheidung, ob Sie die Lasten reduzieren oder einen größeren Wechselrichter installieren.

Bevor Sie den Wechselrichter erneut starten, prüfen Sie bei abgeschaltetem Strom auf Erdungsfehler, um diese ggf. zu beheben.

Bedenken, Sie, dass ein Wechselrichter an das örtliche Energieversorgungsunternehmen angeschlossen sein kann. Der Wechselstromausgang vom Wechselrichter schwankt mit der Höhe des Solareingangs am Array. Der Wechselrichter hält die richtige Ausgangsspannung und Phase zum Energieversorgungsunternehmen aufrecht. Spannungsprobleme des Energieversorgungsunternehmens können zum Abschalten des Wechselrichters führen. In diesem Fall wenden Sie sich wegen der Reparatur an das Energieversorgungsunternehmen.