Wartung von Solaranlagen: So funktioniert die Störungssuche per Laser
Langsam wandert der blaue Leuchtpunkt über das Solarfeld. Endlich. Das Grundbrummen, das seit Beginn der Arbeiten aus dem Kopfhörer ertönt, geht in ein hohes Piepen über. Der Anfang ist gefunden. Jetzt wandert der Leuchtpunkt über die nächsten Module. Solange das Piepen anhält, ist alles gut. Wenn es wieder vom Brummen abgelöst wird, muss die Suche an anderer Stelle weitergehen.
Steffen Huber ist auf der Suche nach den Modulen, die innerhalb der Solaranlage auf dem Dach miteinander in einem String verschaltet sind. „Denn das ist die Voraussetzung, dass wir uns überhaupt auf die Suche nach einem Fehler machen können”, erklärt der Dachdeckermeister und Solarinstallateur aus Neustadt-Glewe, einem malerischen Ort auf halbem Wege zwischen Berlin und Hamburg.
Huber installiert nicht nur Solaranlagen. Immer häufiger übernimmt er auch Wartungs- und Reparaturaufträge für Betreiber von bestehenden Solargeneratoren. Inzwischen kennt er die Situation auf vielen Dächern. „Meist geht es darum, dass ein String oder ein Wechselrichter ausgefallen sind”, sagt er. „Nicht selten fehlt aber die Dokumentation, wie die Anlage verschaltet ist.”
Oft fehlt die Dokumentation
Ohne Stringplan wird es aber schwierig, den Fehler in der Anlage zu finden. „Wir machen deshalb als Erstes eine komplette Dokumentation der Verschaltung der Anlage”, erklärt Steffen Huber. „Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, die aber in der Regel sehr aufwendig sind und viel Zeit kosten. Außerdem sind wir mit einigen der Lösungen auf die Wetter- und Einstrahlungsbedingungen angewiesen.”
So ist eine Rückstromthermografie sehr aufwendig, um Stringpläne von kleineren und mittelgroßen Anlagen auf privaten und gewerblichen Gebäudedächern zu erstellen.
Seit einigen Monaten ist das einfacher. Denn er und seine Mitarbeiter machen sich jetzt mit einem Fehlerortungsset namens LSI von Solartektor auf die Suche nach Fehlern in der Anlage. Damit lässt sich auch ohne viel Aufwand eine komplette Dokumentation der Verschaltung der Anlage erstellen.
Wie das funktioniert, haben Oliver Lenckowski und Klaus Terlinden im Webinar erklärt, das die Redaktion von photovoltaik zusammen mit Solartektor veranstaltet hat. Die beiden Elektromeister aus Harrislee, einem kleinen Örtchen westlich von Flensburg, haben das Fehlerortungsset entwickelt.
So entsteht der Stringplan
Das Herzstück für die Erstellung eines Modulplans sind der Lasertektor und der Laserprojektor. „Der Lasertektor ist das Empfangsgerät, das an den Plus- und Minuspol des Modulstrings angeschlossen wird, der dokumentiert werden soll“, erklärt Klaus Terlinden. „Ein zweiter Solarteur stellt sich mit dem Laserprojektor vor der Anlage auf, sodass er das Modulfeld gut einsehen kann.“ Dabei ist weniger der Winkel zu den Modulen wichtig. Aber der Handwerker muss sehen können, auf welches Modul der Laserstrahl trifft.
Danach drückt er auf einen kleinen Knopf auf dem Laserprojektor und schickt so einen Laserstrahl auf das Modulfeld, das ein gepulstes Signal erzeugt. Die Energie des Strahls wird über die Stringleitung zum Lasertektor geschickt. Der wandelt dieses in ein hörbares Signal um. Aus den Funkkopfhörern, die die beiden Handwerker tragen, ertönt das typische Piepen, wenn der Laser auf ein Modul trifft, das an die entsprechende Stringleitung angeschlossen ist.
Wenn das passiert, gibt der Handwerker am Wechselrichter seinem Kollegen am Laserprojektor draußen Bescheid und dieser kann das Ergebnis in einer Tabelle vermerken, aus der später der Stringplan entsteht. Er führt den Laser weiter über das Modulfeld und jedes Modul, das einen hohen Ton erzeugt, gehört zum gleichen String.
Dank Laser nur ein Viertel der Zeit notwendig
Wenn der erste String dokumentiert ist, steckt der Handwerker, der am Wechselrichter steht, den nächsten String an den Lasertektor und die Untersuchung beginnt von vorn. Das dauert so lange, bis alle Module einem String zugeordnet sind. „Das geht relativ schnell“, sagt Steffen Huber. „Wo wir früher mehrere Tage lang damit zugebracht haben, einen Modulplan zu erstellen, brauchen wir jetzt nur noch etwa ein Viertel der Zeit für eine komplette Dokumentation.“
Um die Anlage gut einsehen zu können, nutzten die Handwerker aus Neustadt-Glewe eine Hebebühne. „Mit der können wir 15 bis 20 Meter in die Höhe fahren“, sagt Huber. „Da der Laserprojektor auch bei einem Abstand von mehr als 100 Metern noch genau misst, können wir so auch bei großen Anlagen auf Gewerbedächern 40 Prozent der Modulfläche erfassen, ohne die Hebebühne versetzen zu müssen.“ Ein Zielfernrohr auf dem Laserprojektor sorgt dafür, dass man auch in diesem Abstand das Modul auf dem Dach noch erkennen kann.
Funkstrecke überbrücken
Die zweite Hürde, die es zu überwinden gilt, ist aber noch die Funkstrecke. Denn der Solarteur draußen am Modulfeld muss das Signal hören, das der Lasertektor aussendet, der neben dem Wechselrichter liegt. „Wir nutzen deshalb gute Funkkopfhörer, die im Freifeld eine Reichweite von 300 Metern haben“, erklärt Oliver Lenckowski. „Dadurch kann der Handwerker draußen das Signal hören, auch wenn der Wechselrichter im Keller installiert ist.“
Sollte es doch einmal nicht funktionieren, liegen dem LSI von Solartektor noch zwei hochwertige Funkgeräte bei, die eine Reichweite von acht Kilometern haben, über die das Signal dann übertragen werden kann.
Tipp: Die Dioden gleich mitprüfen
Während der Erstellung des Modulplans kontrolliert Steffen Huber gleich noch, ob alle Bypassdioden in den Modulen funktionieren. Denn er führt den Laserstrahl einmal quer über jedes Modul. Wenn dabei an einer Stelle der Piepton weg ist, bedeutet das, dass ein Teil des Paneels nicht funktioniert. „Dazu muss man sich die Modultopografie verdeutlichen“, sagt Huber. Denn kristalline Module bestehen in der Regel aus drei Zellstrings mit jeweils einer Bypassdiode. Wenn der Laser in einem Bypassstring kein Signal liefert, dafür aber bei den anderen beiden Zellstrings, dann ist klar, dass eine Diode defekt ist. Bei Halbzellenmodulen haben wir sechs Zellstrings und zwei halbe Module. Entsprechend kann man hier auch defekte Dioden herausfiltern.“
Wichtig ist dabei, dass der Lasertektor nicht in der Nähe von Störquellen genutzt wird. „Wenn der Handwerker mit dem Gerät vor einer Wand mit vielen Wechselrichtern steht, kann das elektromagnetische Feld der Inverter den Lasertektor stören“, betont Huber. „Wenn das passiert, gehen wir mit dem Gerät etwas weiter weg. Wenn die Länge der Kabel nicht ausreicht, legen wir auch schon mal eine zusätzliche Messleitung, um mit dem Solartektor weit genug von den Störquellen wegzukommen.“
Leitungsbrüche finden
Doch die Anlagendokumentation ist nur der Anfang der Arbeiten. Schließlich soll auch noch der Grund gefunden werden, warum eine Anlage zu wenig Strom liefert oder anderweitig auffällig ist. „Um herauszufinden, dass ein Fehler da ist, nutzt der Handwerker auch weiterhin die bisherigen Messgeräte und die Technik, die sich schon dafür bewährt hat, wie die Stromzange oder das Voltmeter. Doch wenn klar ist, dass irgendwo ein Fehler ist, dann muss der Handwerker herausfinden, um welchen Fehler es sich handelt und vor allem wo dieser Fehler steckt.
So kann er mit dem Signaltektor aus dem LSI-Set unter anderem Kabelbrüche ausfindig machen. Das Gerät wird an den ausgefallenen String angeschlossen. Danach stellt der Handwerker eine Verbindung zum Montagegestell der Solaranlage her. „Mit dem Signaltektor bringen wir zwei verschiedene Signale auf den defekten String“, beschreibt Klaus Terlinden das Prinzip. Das ist ein kurzes Signal mit einer langen Pause und ein langes Signal mit einer kurzen Pause.“
Diese Signale greift der Handwerker mit einem berührungslosen Spannungsprüfer an den Modulen ab. Wenn er nur schwer an die Module herankommt, kann er das mit einer acht Meter langen Teleskopstange auch vom Boden oder von der Hebebühne aus machen.
Isolationsfehler nicht „wegmessen“
Vom Minuspol ausgehend hört der Handwerker zunächst das kurze Signal, bis er zur fehlerhaften Stelle kommt. Wenn der String unterbrochen ist, wechselt es in das lange Signal. Es lassen sich mit dem Fehlerortungsset von Solartektor noch weitere Fehler finden. So ist es sogar möglich, relativ schnell Isolationsfehlern auf die Spur zu kommen. Dafür haben Oliver Lenckowski und Klaus Terlinden den Isotektor entwickelt, der auf dem Prinzip einer leistungslosen Permanentmessung beruht.
„Denn man kann einen Isolationsfehler auch wegmessen“, erklärt Klaus Terlinden. „Wenn beispielsweise ein kleiner Wassertropfen für den Fehler verantwortlich ist und man bei einer Standardislolationsmessung ein Watt Leistung auf die Anlage gibt, um die Störung zu ermitteln, verdampft der Wassertropfen und der Fehler ist weg.“ Er kommt aber spätestens nach dem Regen wieder.
Keine Spannung auf die Anlage geben
Wenn die Messung leistungslos erfolgt, verdampft der Wassertropfen während der Messung nicht. „Die leistungslose Messung bekommen wir hin, indem wir die Systemspannung nutzen und nicht aktiv Spannung auf die Anlage geben“, erklärt Oliver Lenckowski das Prinzip. „Das ist eine ohmsche Messbrücke, die wir elektrisch gelöst haben. Diese regeln wir so lange ein, bis an der Fehlerstelle kein Strom mehr fließt.“
Um den Isolationsfehler zu finden, schließt der Handwerker den Isotektor an den problembehafteten Modulstring an. Danach stellt er eine Verbindung zum Montagegestell oder zur Potenzialausgleichsschiene her.
Nachdem er den Isotektor eingeschaltet hat, sieht er im Display die anliegende Spannung. Nun muss er über zwei Tasten die Anzahl der Module im String eingeben. Dann bekommt er ebenfalls im Display die Anzahl der Module jeweils vom Minuspol und vom Pluspol aus gesehen bis zum Isolationsfehler angezeigt.
Isolationsfehler bis zehn Megaohm messen
Dadurch kann er genau bestimmen, zwischen welchen Paneelen er das Problem beheben muss. Wenn hier hinter dem Komma keine Null angezeigt wird, ist der Isolationsfehler innerhalb des Moduls selbst. Außerdem bekommt der Handwerker noch angezeigt, welchen momentanen Isolationswert der Fehler hat. „Wir können bis zehn Megaohm messen“, sagt Lenckowski. „Alles, was darüber liegt, ist dann ohnehin kein Isolationsfehler mehr.“
Danach muss der Handwerker aber noch eine Nachortung durchführen. Nachts macht er das mit dem Laserprojektor. Denn nur so kann er herausfinden, ob mehrere Isolationsfehler in dem Modulstring bestehen. Während der String weiterhin an den Isotektor angeschlossen ist, tastet der Handwerker die Module mit dem Laserstrahl ab. Der erzeugt im Modul einen Spannungsstoß, den der Isotektor hörbar macht. Der Ton, den das Gerät ausgibt, hört sich vom Pluspol aus vor der fehlerhaften Stelle höher an als hinter dieser Stelle. Das funktioniert auch tagsüber, wenn es hell ist. Allerdings nutzt der Handwerker dann nicht den Laser, sondern ein Pad, mit dem er die Module eins nach dem anderen abschattet. Auch das löst den Spannungsstoß aus, den er hören kann.
Dadurch bekommt der Handwerker den ersten Isolationsfehler heraus. Dabei wird zuerst der niederohmigere der beiden Fehler angezeigt. Diesen muss er beheben und kann dann auf die gleiche Weise den nächsten Isolationsfehler suchen.
Möglichkeiten und Grenzen des Systems
Wichtig ist hier eine gute Erdung des Montagegestells und der Module. „Es ist ein bisschen Fleißarbeit, bis man die einzelnen Töne unterscheiden kann“, sagt Steffen Huber. „Doch in der Anleitung ist alles sehr gut beschrieben. Außerdem gibt Solartektor eine umfangreiche Einweisung. Wir haben dabei alles durchprobiert und der Rest ist Erfahrung. Je öfter man das Gerät einsetzt, desto besser kann man das, was man hört, auch interpretieren. Man weiß irgendwann, welcher Ton eine defekte Bypassdiode anzeigt und wie sich ein komplett defektes Modul oder ein Isolationsfehler anhört. Das sind Erfahrungswerte“, erklärt Huber.
Das System hat auch Grenzen. Denn die potenzialinduzierte Degradation (PID) oder Zellbrüche aufgrund von Hagelschlag kann man mit dem LSI nicht finden. Das bleibt die Domäne der Rückstromthermografie und Elektrolumineszenz. „Es ersetzt auch keine Kennlinienmessung“, betont Huber.Er nutzt das Gerät vor allem, um Anlagen relativ schnell nachzudokumentieren, die er nicht kennt, um defekte Bypassdioden und Isolationsfehler zu finden und die Kabelführung auf dem Dach zu ermitteln.
„Wenn wir alles repariert haben und dann anhand der Kennlinien immer noch Abweichungen messen, müssen wir die entsprechenden Module einschicken oder vor Ort eine Rückstromthermografie machen“, erläutert er. Mit dem Laserset schließt er aber schon sehr viele Fehler im Voraus aus.
Dieser Artikel von Sven Ullrich ist zuerst erschienen in photovoltaik 2/2020.
