Mit Drohne und stativ

Draußen ist es finstere Nacht. Nur ab und zu hört man das Bellen eines Hundes in der Nachbarschaft oder ein Auto, das über die Landstraße in der Nähe fährt. Inzwischen ist aber kaum noch jemand unterwegs. Denn es ist schon nach Mitternacht.

Für Andreas Fladung und seine beiden Mitarbeiter, die heute Nacht mit ihm unterwegs sind, ist es die beste Zeit. Denn sie sehen nur nachts. Zumindest wenn es um die Elektrolumineszenzaufnahmen geht, die sie heute Nacht machen.

Andreas Fladung ist Photovoltaikinstallateur und Sachverständiger. Mit seinem Unternehmen im Herzen der Kaiserstadt Aachen ist er inzwischen fast nur noch damit beschäftigt, beschädigten Modulen auf die Schliche zu kommen. Die Anfragen sind üppig. „Das Telefon steht fast nicht mehr still“, sagt er. „Inzwischen bauen wir nur noch eine Anlage pro Woche, sind aber mit den Messungen gut unterwegs.“

Durch die Anlage zappen

So hat er auch den Auftrag bekommen, die Anlagen auf einem Bauernhof zu untersuchen. Sechs Anlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung sind auf den Dächern der Gebäude installiert. Vor drei Jahren schlug ein Blitz ein. Seither machen die Anlagen immer wieder Probleme. Fladung soll nun herausfinden, welche Module tatsächlich kaputt sind und ausgetauscht werden müssen.

Er steht vor dem Monitor, während einer seiner Mitarbeiter die Fernbedienung hält. Mit ihr kann er einen String nach dem anderen ein- und wieder ausschalten. Nacheinander leuchten diese auf dem Monitor von Andreas Fladung auf und verschwinden dann wieder im Dunkel, bis die nächsten Solarmodule aufleuchten. Währenddessen summt ein kleiner Motor in 15 Metern Höhe. Auf dem Kopf eines Hochstativs hat Fladung eine spezielle Kamera installiert. Sie dreht sich langsam, und ihr Auge scheint über die Dächer des Bauernhofes zu schweifen, vor dem Fladung steht. Tatsächlich ergibt genau diese Bewegung Sinn. Denn mit jeder Drehung nimmt sie neue Module auf, die der Mitarbeiter von Andreas Fladung mit seiner Fernbedienung ein- und ausschaltet.

Mit bloßem Auge nicht zu sehen

Kurz vor Sonnenaufgang ist alles im Kasten. Die Aufgabe ist erledigt, und alle sechs Solaranlagen auf den Dächern des Bauernhofes sind auf Fehler hin untersucht. Die Aufgabe war es, defekte Bypassdioden zu finden. Diese entstehen durch Überspannung bei Blitzeinschlag. Dann sind die Kontakte oder die Diode geschädigt, ihr Übergangswiderstand ist sehr hoch.

Bei einer Leistungsmessung fallen diese Schäden nicht auf. Denn der Zellstring produziert ganz normal Strom. Bei Teilverschattung müsste ihn die Diode kurzschließen.

Weil sie aber hochohmig ist, kann sie diese Funktion nicht mehr erfüllen. Im Unterschied zur funktionstüchtigen (niederohmigen) Diode sinkt die Leistung des Moduls und damit des Modulstrings.

Solche Schäden fallen bei der Elektrolumineszenz (EL) deutlich auf. Bei dieser Messmethode handelt es sich – vereinfacht gesagt – um den Umkehreffekt der Solarzelle. Während sie Strom erzeugt, wenn ein gewisses Lichtspektrum auf die Oberfläche des Halbleiters fällt, dreht sich der Effekt um, wenn die Solarzelle selbst unter Strom gesetzt wird. Sie fängt an zu leuchten. Mit dem bloßen Auge ist das nicht zu sehen. Denn die Wellenlänge des Lichts liegt mit über 800 Nanometern im Nahinfrarot- und Infrarotbereich.

Jeder Transport ist ein Risiko

Lange wurde dieser Effekt mit teuren Spezialkameras im Labor sichtbar gemacht. Denn die Voraussetzung ist, dass auf die Zellen kein Licht fällt. Dazu mussten die Paneele ausgebaut und eingeschickt werden. Das ist immer ein Risiko. Denn wenn die Module einmal installiert sind, haben sie die größte mechanische Belastung durch den Transport und die Installation hinter sich.

Wenn sie aber wieder deinstalliert und verschickt werden, weiß niemand, ob eventuelle Fehler nicht gerade durch diese Prozedur erst entstanden sind.

Inzwischen gibt es Möglichkeiten, die Elektrolumineszenz auch sichtbar zu machen, ohne die Module zu deinstallieren. „Dazu wird der Sperrfilter vor dem Sensor einer Digitalkamera entfernt“, erklärt Andreas Fladung. „Dann kommt dort das Lichtspektrum des Wellenlängenbereichs an, den man bei der normalen Fotografie nicht braucht. Schließlich soll das Foto nur das sichtbare Licht wiedergeben. Ohne Sperrfilter können wir Wellenlängen bis 1.100 Nanometer sichtbar machen.“

Mit einem Aufsatz vor dem Objektiv wird das sichtbare Licht herausgefiltert. Auf dem Sensor der Kamera wird nur das infrarote Licht abgebildet. Damit kann man ganz deutlich das Leuchten der Solarzellen sehen, wenn sie unter Strom gesetzt werden.

Lange hat der Aachener Experte mit verschiedenen Kameras experimentiert. So eignen sich Spiegelreflexkameras nur bedingt für die Elektrolumineszenz. Denn wenn mit einer solchen Kamera Videoaufnahmen gemacht werden, bleibt der Spiegel hochgeklappt. Dann erreicht sie nicht die für Nachtaufnahmen erforderliche Lichtempfindlichkeit. „Spiegellose Vollformatkameras erreichen aber die Lichtempfindlichkeit in der Höhe, wie wir sie brauchen“, hat Fladung herausgefunden. „Alternativ könnte man mit zwei Rückstromgeräten arbeiten und den String mit sieben bis acht Ampere bestromen, also nahe am Kurzschlussstrom der Module. Doch das ist zu viel Aufwand.“

Module scharf aufs Bild bekommen

Schließlich müssen die Aufnahmen schnell gehen, um möglichst viele Module in einer Nacht zu untersuchen. „Nachdem wir uns die Kamera besorgt hatten, haben wir festgestellt, dass uns das Zusatzequipment fehlt, um die Überprüfung komplett kostengünstig darstellen zu können“, sagt Andreas Fladung. „Für uns war von Anfang an klar, dass wir ein System entwickeln müssen, das schnell und preiswert ist und trotzdem absolute Sicherheit bei der Analyse bietet.“ Deshalb hat er die Kamera zunächst an einen Oktokopter angebaut, eine Flugdrohne, die von acht Rotoren in der Luft gehalten wird. Mit ihr kann er relativ flott größere Modulfelder aufnehmen.

Dabei ist er aber gleich auf mehrere Probleme gestoßen. So funktioniert nachts der Autofokus nicht. Die Kamera kann also nur mit einer festen Brennweite arbeiten. Deshalb muss Fladung vor dem Start alle Einstellungen vornehmen. Er überfliegt dann das Modulfeld in einer festen Höhe, um mit der eingestellten Brennweite alle Module scharf ins Bild zu bekommen. „Dieses Problem gehen wir als Nächstes an“, betont der Aachener. „Mit einem digitalen Abstandssensor können wir dann drei verschiedene Brennweiten einstellen, um die Anlage in drei, zehn und mehr Metern zu überfliegen.“ Der Sensor erkennt den Abstand zum Modul, und eine mechanische Vorrichtung stellt die richtige Brennweite ein.

Ohne Zwischenlandung aufnehmen

Ein zweites Problem ist schon gelöst. Denn wenn die Drohne einmal in der Luft ist, muss sie möglichst die gesamte Anlage ohne Zwischenlandung aufnehmen. Dazu hat Andreas Fladung eine spezielle Box gebaut, mit der er die gesamte Anlage an Rückbestromungsgeräte anschließen kann. Sie hat auf der einen Seite die Anschlüsse für die einzelnen Strings. Immerhin 15 davon passen an eine Masterbox, an die auf der anderen Seite die Rückbestromungsgeräte angesteckt werden.

Besteht die Anlage aus noch mehr Strings, kann der Dienstleister noch eine zweite Slavebox anschließen. Diese hat zwar keine Anschlüsse mehr für die Rückbestromungsgeräte, aber dafür immerhin 21 Eingänge für Modulstrings. Den Strom bekommt sie von der Masterbox. Mit einer Fernbedienung kann Fladung so die einzelnen Strings an- und wieder ausschalten. „So haben wir die Möglichkeit, mit einem einzigen Flug die gesamte Anlage zu untersuchen“, erklärt er.

Die Box wird es auch als kleine Variante für Installateure geben, die ihren Kunden einen Wartungsvertrag anbieten wollen. In dieser Variante hat die Fernbedienung aber nur sechs Kanäle und der Handwerker kann auch nur sechs Strings anschließen.

Dies reicht aber für die meisten privaten Dachanlagen völlig aus. Der Installateur kann so die Strings an das Rückbestromungsgerät anschließen und sich mit der Kamera und einem Bodenstativ in den Garten stellen, um die Aufnahmen zu machen.

Versteckte Schäden entdeckt

Zunächst verschafft sich der Aachener einen groben Überblick über die Anlage und vermerkt die auffälligen Module. „Dann fliegen wir näher heran und untersuchen gezielt diese auffälligen Module“, erklärt der Aachener. So kann er sämtliche Mikrorisse, isolierte Stellen und selbst potenzialinduzierte Degradation sehen.

Modulschäden, die von außen nicht sichtbar sind, bleiben ihm nicht verborgen. „Wir haben einmal eine Anlage untersucht, die einen Sturmschaden hatte“, erinnert sich Fladung. „Dabei wurden 120 der insgesamt etwa 1.400 Module abgerissen. Sie sind aber über die anderen Module gerutscht.“

Die Versicherung wollte nur die abgerissenen Module bezahlen. Doch für die anderen Module wollte sie keine Haftung übernehmen. „Wir haben dann eine Elektrolumineszenzmessung der gesamten Anlage gemacht und festgestellt, dass 45 Prozent der Module kaputt waren“, berichtet der Aachener. „Dann wurde der Versicherung klar, dass es für sie ein Millionengrab werden würde, wenn sie jahrelang Ertragsausfälle statt alle kaputten Module bezahlen muss.“

Mit seinem Oktokopter darf Fladung aber nur außerhalb von Ortschaften ohne Weiteres fliegen. „Dort haben wir eine allgemeine Aufstiegsgenehmigung“, sagt er. „Innerhalb von Ortschaften müssten wir mit Sondergenehmigungen arbeiten.“ Um dies zu umgehen, hat sich der Aachener einen 15 Meter hohen Mast besorgt. Diesen stellt er neben das Gebäude, auf dem die Anlage installiert ist, schraubt die Kamera auf den Kopf des Mastes und fährt ihn mittels Druckluft auf die richtige Höhe. So hat er es auch für die Untersuchung der Anlagen auf den Gebäuden des Hofes gemacht.

Alle Module scannen

Zuvor hat er sich über Google ein Bild vom Gebäudeensemble gemacht und den idealen Standort für den Mast bestimmt. „Wir konnten so alle sechs Anlagen untersuchen, ohne den Mast zwischendurch verschieben zu müssen“, berichtet er. Der Mast wiegt immerhin etwa 50 Kilogramm. Zwar hat er an der Seite zwei Räder und ist so relativ einfach zu bewegen. Doch das Ein- und Ausfahren des Mastes kostet viel wertvolle Zeit. Schließlich muss er fertig sein, wenn die Sonne wieder aufgeht.

Auch auf dem Bauernhof hat er vorher alle Modulstränge von den Wechselrichtern getrennt und an seine spezielle Box angeschlossen. Die Steuerung des Rotorkopfes und der Kamera auf dem Mast funktioniert über zwei Kabel. Über ein HDMI-Kabel kommen die Bilder von der Kamera auf den Monitor. Dies sind aber nur komprimierte JPG-Dateien. Die Rohaufnahmen legt Fladung auf der Speicherkarte in der Kamera ab.

Die Kabel sind bisher noch auf eine normale Kabeltrommel aufgerollt. Doch der nächste Schritt ist, am Mast automatische Aufroller anzubringen. Damit geht es noch schneller, den Mast aufzubauen und zu versetzen.

Um noch näher an die Module zu kommen, kann er auch auf das Dach steigen. Dazu hat er eine spezielle Vorrichtung, an die er die Kamera anschraubt. An ihr sind auch ein Monitor und eine Halterung für ein Tablet angebracht. Auf diesem kann sich Fladung den Plan für die Stringverschaltung anschauen.

Näher an die Anlage ran

Er setzt sich das ganze Konstrukt auf die Schulter und kann so durch die Anlage laufen und jedes Modul einzeln und aus der Nähe untersuchen. Um die Bilder mit notwendigen Verschlusszeiten von einer Zwanzigstel- bis Sechzigstelsekunde aufzunehmen, ohne zu verwackeln, montiert er an einem Haltebügel der Vorrichtung eine Fernbedienung. Mit ihr kann er die Kamera auslösen, ohne sie berühren zu müssen. Um es noch einfacher zu machen, hat er sich jetzt ein Schwebestativ besorgt, mit dem Profis ihre Filmaufnahmen machen. Dieses Schwebestativ ist nicht nur leichter, sondern es stabilisiert auch die Kamera, wodurch es für Fladung noch einfacher wird, exakte Detailaufnahmen bei den langen Belichtungszeiten zu machen.

Außerdem hat er eine Hand frei, um sich mit einer Taschenlampe den Weg durch das Modulfeld auszuleuchten. So schafft es der Aachener immerhin, 400 bis 500 Kilowatt in einer Nacht grob aufzunehmen, um sich einen Überblick über die Anlage zu verschaffen. In der nächsten Nacht kann er dann die auffälligen Module noch einmal aus der Nähe aufnehmen.

www.solartechnik-fladung.de

Bilder automatisch auswerten

Die Experten des Photovoltaik-Instituts Berlin (PI-Berlin) haben eine Methode entwickelt, um Elektrolumineszenz im Feld zu messen. In eine spezielle Vorrichtung sind mehrere Spezialkameras eingebaut. Diese Vorrichtung wird auf die Module gesetzt. „Durch den besonderen Messaufbau können wir hochaufgelöste Elektrolumineszenzbilder mehrerer Module gleichzeitig aufnehmen“, erklärt Juliane Bergold. Sie ist Leiterin des Bereichs Modultechnologie und Forschung am PI-Berlin. So können die Berliner immerhin bis zu 1.000 Module pro Nacht überprüfen. Vorher schafften sie etwa 100 Module in der gleichen Zeit.

Die Herausforderung ist aber, die riesige Datenflut auch auszuwerten. Dazu haben die Berliner in Zusammenarbeit mit dem Softwareentwickler Safetyworks ein spezielles Computerprogramm entwickelt. „Unsere softwaregestützte Auswertung bezieht sich derzeit auf ausgeprägte isolierte Brüche“, sagt Bergold. „Das menschliche Auge sieht, was ein Fehler in der Zelle ist und was nicht. Aber eine Software so anzulernen, dass sie alle Features und alle Fehlerbilder unterscheiden und kategorisieren kann, haben wir derzeit noch nicht geschafft.“

Das Programm des Photovoltaik-Instituts zählt zunächst einmal die Bereiche, die ganz oder teilweise isoliert sind und sich damit direkt auf die Leistung der Zelle auswirken. Solche Inseln entstehen unter anderem durch Mikrorisse, die sich durch die mechanische oder thermische Belastung der Module ausweiten, oder durch Hagelschläge und andere mechanische Strapazen. Wird der Anteil dieser Bereiche in der Zelle zu hoch, wird sie schon einmal als auffällig eingestuft. Überschreiten zu viele Zellen im Modul diese Grenze, wird das gesamte Paneel ausgetauscht. Die Berliner erstellen so für jedes untersuchte Modul eine gesonderte Auswertung. Dazu gehört das Bild von der Elektrolumineszenzmessung, die entdeckten Fehler und die Seriennummer des Moduls.

Doch mit dem derzeitigen Stand gibt sich das PI-Berlin nicht zufrieden. „Zusammen mit Solartechnik Fladung in Aachen und unserem Softwarepartner Safetyworks entwickeln wir zurzeit das Auswertungsprogramm weiter“, sagt Juliane Bergold. „Wir wollen noch mehr Defekte in die Auswertung mit einbeziehen und die Elektrolumineszenzbilder noch schneller auswerten. Als nächsten Schritt beziehen wir potenzialinduzierte Degradation mit ein.“ Dies ist nicht ganz trivial. Die Projektpartner gehen diese Herausforderung aber jetzt an, und in etwa einem halben Jahr sollen die Ergebnisse der Weiterentwicklung auf dem Tisch liegen.

www.pi-berlin.com

Mit Batterie bestromen

Das Photovoltaikbüro Diehl hat ein mobiles Rückbestromungsgerät entwickelt. Der PV Serve ist ein Netzteil, das speziell zur Untersuchung von Photovoltaikanlagen mittels Rückstromthermografie oder Elektrolumineszenzmessung im Feld entwickelt wurde. Denn bei beiden Methoden wird der Solargenerator rückwärts bestromt.

Um einen Strom in Gegenrichtung durch den Solargenerator zu treiben, ist eine Spannung notwendig, die über der Leerlaufspannung des zu untersuchenden Generators liegt. Der PV Serve kann bis zu fünf Ampere mit bis zu 1.000 Volt in den Modulstrang drücken. Die tatsächlich einstellbare Stromstärke hängt dabei von der Systemspannung ab, da das Gerät auf eine Maximalleistung von 3,3 Kilowatt begrenzt ist. Bei einer Stromstärke von fünf Ampere stehen entsprechend nur noch 660 Volt zur Verfügung. Damit kann der PV Serve aber immerhin noch bis zu zwölf Module mit 72 Zellen und 15 Module mit 60 Zellen in Serie bestromen. Die Grenze für den PV Serve liegt bei Strängen von 19 Modulen mit 72 Zellen oder 22 Modulen mit 60 Zellen.

Mit seinen 19,5 Kilogramm kann das Gerät ohne Weiteres von einem Monteur getragen werden. Außerdem ist es so konstruiert, dass es der Handwerker an einer konventionellen Steckdose mit 230 Volt betreiben kann.

www.photovoltaikbuero.de