Seit 1994 ist das Ingenieurbüro Mencke und Tegtmeyer (IB M&T) im Geschäft mit Sonnensimulatoren tätig. Darüber hinaus bietet das Hamelner Unternehmen Kennlinienmessgeräte für Solarmodule an. Der erste Kennlinienanalysator wurde schon im November 1993 an Solar Nord in Wismar geliefert, bis vor Kurzem die Modulfertigung von Centrosolar. Seither hat das Unternehmen schon mehr als 100 Stück davon verkauft. 2007 wurde der erste Multiplexermessstand für Solarmodule ausgeliefert, an das benachbarte ISFH in Hameln. Basis waren Halogenlampen, die mit Gleichstrom gespeist werden. 2009 folgte der erste Sonnensimulator, bei dem LEDs eingesetzt wurden. Sie ergänzen das Spektrum aus den Halogenlampen.
Große Simulatoren mit Dauerlicht
2011 entstand an der Universität von Warwick in Großbritannien ein schwenkbarer Sonnensimulator, der gleichfalls ein LED-Upgrade nutzt. Seit Dezember 2012 ist das Ingenieurbüro in das Forschungsprojekt Mupa involviert. Darin geht es um ein mobiles Untersuchungssystem für Photovoltaikanlagen. Weitere Partner sind Adler Solar und die Universität Bremen.
IB M&T baut in aufwendiger Einzelfertigung Sonnensimulatoren mit handelsüblichen Halogenlampen, die 17 Volt Gleichspannung und acht Ampere Strom aufnehmen. Das entspricht einer Leistung von 150 Watt je Lampe. Für die Dauerlichtsimulation brauchen die Geräte sehr hohe Ströme, entsprechend stark sind die Leiterbahnen aus Kupfer ausgelegt. „Denn in der Forschung ist es sinnvoll, nicht nur mit den kurzen Blitzlichtern zu messen, sondern auch mit Dauerlicht“, erklärt Dirk Tegtmeyer, einer der Geschäftsführer des Unternehmens. „In der kurzen Zeit, in denen das Blitzlicht auf die Modulfläche scheint, haben noch keine Rekombinationsverluste stattgefunden. Um auch diese mitzubekommen, sollte man nicht nur mit dem Flasher messen, sondern mit Dauerlicht.“
Sonnenblitzer für mobile Testcenter
Bisher wurden rund 30 Stück gebaut. „Ein solcher Simulator kostet je nach Größe bis zu 55.000 Euro“, sagt Tegtmeyer. Die größten Simulatoren erlaubten eine bestrahlte Fläche von zwei mal zwei Metern. So ein Koloss gehört beispielsweise zu einem Prüfstand für Solarmodule bei Intertek in Lake Forest nahe Los Angeles. Eine Version mit 1,8 mal 2,5 Meter wurde beim größten polnischen Solarkollektorhersteller Watt im oberschlesischen Sosnowiec aufgestellt.
Damit die Sockel der Lampen nicht durch Stauhitze überlastet werden, muss man sie mit Ventilatoren lüften. Denn Halogenlampen haben nur acht Prozent Wirkungsgrad, entsprechend hoch ist ihre Abwärme. Ein Simulator hat rund 12,5 Kilowatt AC-Anschlussleistung, das entspricht etwa zehn Kilowatt Lampenleistung (DC). Mithilfe von blauen LEDs wird das Spektrum der Halogenlampen erweitert und korrigiert.
LEDs statt Xenonlampen
Im Februar 2008 testeten die Hamelner Ingenieure erstmals ihr Solar-Flare-System, das die Kennlinienaufnahme mit einem Blitzlicht erlaubt. Darin kommt eine Xenonlampe mit Filter zum Einsatz. „Der Filter ist notwendig, weil wir das nicht ganz perfekte Sonnenlicht abbilden können“, erläutert Dirk Tegtmeyer. Die Blitzlänge beträgt acht Millisekunden. Seit Juli 2010 wird der Sonnenblitzer Solar Flare in Freiflächenparks eingesetzt, um Solarmodule vor Ort zu prüfen. Seit Juli 2012 wird ein Flasher angeboten, in dem blaue LEDs das Spektrum der Blitzlampe ergänzen. Der Flasher und das zugehörige Kennlinienmessgerät nebst Sensoren werden als Komplettpaket für 25.000 Euro vertrieben: an Institute, große Installateure und Projektierer, die damit Solarmodule im Feld prüfen wollen. Auch der Einsatz in der Modulproduktion ist möglich. Bisher wurde rund ein Dutzend der Xenon-Flasher verkauft.
Neuerdings hat IB M&T Blitzlichtgeräte auf Basis weißer LEDs entwickelt, um die elektrische Leistungsaufnahme deutlich zu verringern. Die weißen LEDs haben eine Wellenlänge von 400 bis 700 Nanometern. Um das Sonnenspektrum von 400 bis 1.100 Nanometern möglichst homogen abzubilden, werden vier LED-Typen kombiniert. „Das ist besser als das Linienspektrum aus den Xenonlampen“, weiß Dirk Tegtmeyer. „Die LEDs liefern ein kontinuierliches Spektrum, auch auf größeren Flächen mit mehr als zwei Quadratmetern.“ Die Blitzlänge beträgt zwischen 10 und 100 Mikrosekunden. Der neue Flasher kommt im Frühjahr auf den Markt.
Zum Solar Flare hat IB M&T einen Kennlinienanalysator entwickelt, der während des Blitzes die U-I-Kennlinie nachfährt. Er misst die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom. Dabei erfolgt die Messung durch die Aufladung von Kondensatoren. „Der Kondensator wird schon bei minus zwei Volt aufgeladen, damit wir tatsächlich bei null Volt messen können und die Kennlinie auch bei null Volt beginnt“, erklärt Tegtmeyer. Das System wird vorher mit einem Referenzmodul kalibriert. „Gegen diese Referenz kann man dann baugleiche Module vermessen.“
Analysator für Kennlinien
Die Kennlinienmessgeräte vertreibt die Firma zudem als Stand-alone-Geräte an Hochschulen oder Institute. „Damit kann man schnell auch draußen im Feld messen“, meint Tegtmeyer. „Bis zu 200 Volt Modulspannung sind möglich, eine kleinere Variante erlaubt bis 120 Volt.“
Der Hamelner Ingenieur weiß, was die Kennlinienmessung im Außeneinsatz leisten kann. „Mit normalen Monitoringsystemen können die Betreiber der Anlage zwar Fehler auf der Strangebene erkennen. Aber wenn tatsächlich etwas falsch läuft und die Erträge schlecht sind, muss man zum Schluss immer auf die Modulebene zurückgehen“, sagt er. „Auch die Messung bei Inbetriebnahme, die Messung des Isolationswiderstands oder der Kurzschlussspannung lohnen sich. Da kann der Monteur von Anfang an Modulfehler sehr gut erkennen.“
Rund 100 Messgeräte wurden bisher verkauft, davon etwa 40 mit RS232-Schnittstelle und 60 mit USB-Schnittstelle, als Einzelgeräte oder in kompletten Messständen für die automatisierte Modulmessung in Forschungsinstituten und Universitätslaboren. Dirk Tegtmeyer resümiert: „So etwas kann man nicht von der Stange kaufen.“
Studenten bei Professor Luther
Er führt die Firma nicht allein. Sein Partner von Anfang an war der Ingenieur Detlef Mencke. Seit Ende der 1980er-Jahre sind die beiden in der Branche unterwegs. Sie kennen sich aus Studienzeiten, kamen 1989 als Studenten an das Hamelner Institut für Solarenergieforschung (ISFH). Tegtmeyer schrieb eine Studienarbeit über Sonnensimulation, Detlef Mencke über MPP-Tracker.
Auch die Diplomarbeiten entstanden am ISFH, wo sie bis 1993 als Assistenten blieben. „Wir haben damals Strahlungssensoren entwickelt“, erinnert sich Dirk Tegtmeyer. „Seinerzeit gab es noch keinen Markt. Immerhin konnten wir damals in Niedersachsen rund 50 Sensoren installieren.“
Gerade zwei Jahrzehnte ist das her, muss man sich ins Gedächtnis rufen: Damals wurde das Institut noch von Joachim Luther geleitet, seinerzeit Professor in Oldenburg, der kurz darauf das Solarinstitut der Fraunhofer-Gesellschaft in Freiburg übernahm und es zur weltweit wichtigsten Forschungsstätte in der Photovoltaik ausbaute.
Obwohl kein Markt vorhanden war, machten sich die beiden Ingenieure selbstständig. Das von ihnen gegründete Ingenieurbüro gilt als hochspezialisierter Zulieferer von Sensoren, Messgeräten für Kennlinien von Solarmodulen und Sonnensimulatoren für Prüfstände. Sie besetzen innerhalb der Photovoltaik einen wichtigen Nischenmarkt.
Wachstum im Ausland
Mittlerweile ist ein Markt für Photovoltaik entstanden. Dem ersten Hype folgte eine Halbierung im laufenden Jahr. „Im Jahr 2012 hatten wir rund drei Millionen Euro Umsatz“, rechnet Dirk Tegtmeyer vor. „Seit Oktober 2012 geht der Markt deutlich bergab.“
Derzeit hat das Unternehmen noch 15 Mitarbeiter, allesamt Experten, deren Wissen und Erfahrung unbedingt gehalten werden sollen. „Wir bauen unsere Kooperationen mit Vertriebspartnern in Brasilien und Nordamerika aus“, meint er. „Wir hoffen, dass sich die Lage bessert.“ Nebenbei plant Geschäftspartner Detlef Mencke neue Anlagen, erledigt die Ausschreibungen und die Bauüberwachung. Ein hilfreiches Zubrot, um durch die Krise zu kommen. „Das Gros des Umsatzes erwirtschaften wir mit messtechnischen Produkten“, analysiert er. „Das sind Sensoren für Systeme zum Anlagenmonitoring sowie Geräte für die Forschung, Qualitätssicherung und die Modulproduktion.“ Im Jahr 2012 machte der Auslandsumsatz rund ein Drittel aus, er steigt seit drei bis vier Jahren. Auch größere Installateure wie Pohlen Solar sind Kunden vom M&T.
TÜV Rheinland
Forschungsprojekt PVScan gestartet
Produktionsmängel, Handling- oder Installationsfehler, mangelhafte Wartung im Betrieb: Die Ursachen für Schäden von Photovoltaikmodulen sind so vielfältig wie ihre Ausprägungen. Gleichzeitig schreitet die Technik in der Prüfung und Schadenanalyse weiter voran – Untersuchungen sind immer präziser möglich.
Doch welche Auswirkungen haben beispielsweise Mikrorisse oder Schneckenspuren, verkratztes Frontglas, Schwächen an den Laminierungen oder fehlerhafte Rückseitenfolien tatsächlich auf die Lebensdauer und Leistung der Module? Ist jeder feststellbare Fehler gravierend? Lassen sich einzelne Fehlergruppen typisieren und hinsichtlich ihrer Auswirkungen bewerten?
Ein Konsortium renommierter Unternehmen und Wissenschaftsinstitute geht in den kommenden Jahren der Frage nach, welche Langzeitwirkungen typische Schädigungen an Photovoltaikmodulen auf die Funktion und Leistung der Module haben. Untersucht werden das Auftreten und die Entwicklung von Schäden sowohl an Aufdach- als auch an Freilandanlagen über eine Zeitdauer von mehreren Jahren.
Ziel von PVScan ist es, praxisnah festzustellen, welche typischen Fehler und Schäden an Photovoltaikmodulen hinsichtlich Leistung oder Funktionalität wirklich relevant und welche mit großer Wahrscheinlichkeit zu tolerieren sind. Konkret werden von den Forschern deshalb Solarmodule direkt vom Hersteller, nach Anlieferung auf der Baustelle und ebenso nach erfolgter Installation mit den üblichen Analyseverfahren auf Schäden hin untersucht.
Anschließend werden diese Solarmodule im Feld über Jahre beobachtet, um Veränderungen und Auswirkungen der gefundenen Fehler genau feststellen zu können. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen letztlich dazu dienen, bestehende Prüf- und Produktstandards weiterzuentwickeln sowie neue Normen anzuregen, beispielsweise hinsichtlich der Anforderungen an den Transport und die Handhabung der Module in der Bauphase eines Photovoltaikprojektes. Das Forschungsprojekt PVScan hat eine Laufzeit bis Ende 2017.
Der neue Sonnensimulator vom Ingenieurbüro M&T: Damit lassen sich Solarmodule oder thermische Kollektoren auf Prüfständen genau ausmessen. Im Bild: Dirk Tegtmeyer, einer der Geschäftsführer des Unternehmens.
Im Detail: Die Anordnung der DC-Leuchten wurde auf eine möglichst homogene Einstrahlung hin optimiert. Um das Sonnenspektrum möglichst genau abzubilden, werden auch LEDs eingesetzt.
Seit 2011 ist Nikolai Maris der dritte Gesellschafter des Ingenieurbüros und Prokurist der Firma. Er ist Entwicklungsexperte beispielsweise für Einstrahlungssensoren.
