Hinweise auf Probleme mit dem PV-Anschluss und der schnellen Abschaltung

Man sagt, dass man am besten lernt, indem man zuerst Fehler macht. Nun, für die meisten Solarunternehmen ist das möglicherweise nicht der beste Weg zu einer höheren Ausbildung. Lassen Sie uns stattdessen die Fehler bewerten, die bei der Planung und Installation von PV-Systemen häufig gemacht werden, damit wir sie frühzeitig vermeiden können. Für unsere NABCEP CE-Sonderausgabe Q1 2023 haben wir uns an verschiedene Experten gewandt und sie einfach gefragt: Was läuft falsch?

In diesem Stück,HelioVolta'SDavid Penalva, James Nagel und Thomas Cemo zeigen Hinweise auf anhaltende Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit Schnellabschaltcodes und nicht übereinstimmenden Anschlüssen– verschlimmert durch Probleme in der Lieferkette – und diskutieren Sie einige mögliche Lösungen.

Geben Sie Ihre E-Mail-Adresse ein, um den vollständigen 22-seitigen Abschnitt „Was läuft schief“ in der digitalen Ausgabe zu lesen, der auch strukturelle Mängel bei Trackern, die Unzulänglichkeiten der Batteriesicherung für das ganze Haus, große Leistungsmängel und mehr behandelt.

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Solar-PV-Komponenten leben in rauen Umgebungen mit konstant erhöhten Temperaturen, Temperaturschwankungen und konstanter Feuchtigkeit. Darüber hinaus ist die Leistungselektronik auf Modulebene (MLPE) eine komplexere Elektronik als PV-Module. Der zunehmende Einsatz dieser massenproduzierten Leistungselektronikkomponenten im Laufe der Jahre hat statistisch gesehen zu mehr Fehlerquellen bei US-amerikanischen Dachsolaranlagen geführt. Mehr Ausfälle bedeuten mehr thermische Ereignisse.

Während einige Meldungen über Brände öffentlich sind, ist dies bei vielen nicht der Fall, so dass es schwierig ist, die Häufigkeit der Ausfälle abzuschätzen. Systembesitzer und Hosts nehmen diese Risiken jedoch ernst und ergreifen geeignete Maßnahmen, um diese Risiken zu mindern. Die Kosten einer thermischen Veranstaltung übersteigen die Kosten für sichere Ausrüstung, Inspektionen und Nachrüstungen durch Dritte bei weitem.

Wir werden die Probleme und möglichen Lösungen in diesem Artikel diskutieren. Aber zuerst: Wie sind wir hierher gekommen?

Um sicherere Situationen für Ersthelfer auf dem Dach zu schaffen, wurde der National Electric Code (NEC) im Laufe der Jahre mehrfach weiterentwickelt. Ab NEC 2014 wurden neue Anforderungen eingeführt, um das Problem der Gleichspannung anzugehen, die auch bei abgeschalteten Systemen vorhanden ist. Eine der wichtigsten Änderungen im Code von 2014 war die Einführung einer 10-Fuß-Array-Grenze, die keine zusätzliche Ausrüstung erforderte, wenn die Wechselrichter innerhalb dieser Zone gehalten werden konnten. Für alle Gleichstromleiter außerhalb der 10-Fuß-Grenze waren jedoch zusätzliche Geräte wie Durchgangstrenner erforderlich.

Im Jahr 2017 erhöhte der NEC die Anforderung auf eine 1-Fuß-Grenze und erforderte den Einsatz zusätzlicher Ausrüstung. Die Industrie hatte zu diesem Zeitpunkt keine optimalen Lösungen für diese Anforderung, sondern musste auf die Codeänderungen reagieren. Die einzige Lösung hierfür war der Einsatz von MLPE.

Die Änderungen im NEC-Code hatten erhebliche Auswirkungen auf den Wechselrichtermarkt und die Art und Weise, wie Systeme entworfen und installiert wurden. Laut dem Wood Mackenzie PV Leaderboard hat sich der Marktanteil von Wechselrichtern im Solarbereich für Privathaushalte von 2013 bis 2019 deutlich von String-Wechselrichtern hin zu MLPE-basierten Systemen (Mikro-Wechselrichter und Optimierer) verlagert.

Da uns eine weitere bevorstehende Codeänderung bevorsteht, ist es an der Zeit, innezuhalten und zu hinterfragen, ob die Anforderungen, die wir bisher implementiert haben, tatsächlich ihren Zweck erfüllen.

Ein Punkt, der Anlass zur Sorge gibt, ist, ob 80 V tatsächlich eine sichere Spannung sind. OSHA definiert 50 mA als potenziell tödlichen Strom, der je nach Strompfad durch verletzte Haut bei 80 V auftreten kann. Angesichts der Tatsache, dass Feuerwehrleute auch eine erhebliche Menge an persönlicher Schutzausrüstung (PSA) tragen, ist dies sehr unwahrscheinlich. Obwohl 80 V sicherer sind, ist der Nutzen fraglich, wenn man 1) die PSA der Feuerwehrleute und 2) die zusätzlichen Fehlerquellen berücksichtigt, die durch die Schnellabschaltkomponenten selbst entstehen.

Durch das schnelle Abschalten von Systemkomponenten kann es zu thermischen Ereignissen kommen, die die Sicherheit der Systeme beeinträchtigen und dazu führen, dass Feuerwehrleute häufiger vor Ort sein müssen. Gleichzeitig haben die Medienberichte über thermische Ereignisse zugenommen, die möglicherweise mit Schnellabschaltgeräten (RSD) und PV-Anschlüssen zusammenhängen. Bei HelioVolta haben wir als unabhängiger Prüfer in unseren Systemzustandsbewertungen Hinweise darauf gesehen. Die Fotos in diesem Artikel sind nur eine kleine Auswahl von Problemen, die wir häufig sehen.

Probleme mit Steckverbindern kommen häufig vor und plagen die Branche immer noch. Selbst gute Absichten, wie die hier gezeigten Springer, verfehlen ihr Ziel.

Menschliches Versagen ist ein Faktor, der berücksichtigt werden muss, auch wenn die richtigen Komponenten verwendet werden. Über Kreuz gesteckte Steckverbinder können zu Inkompatibilitäten zwischen Toleranzen und Material führen. Im Laufe der Zeit kann sich die Nichtübereinstimmung zu einem Hotspot ausweiten, der nur mit einer Wärmebildkamera identifiziert werden kann (wie zuvor gesehen).

Selbst wenn die Steckverbinder nicht über Kreuz gesteckt sind, führt die Verwendung von werkseitig hergestellten Jumpern verschiedener Hersteller zu unterschiedlichen Qualitätskontrollniveaus (QC) und erschwert die Rückverfolgbarkeit im Falle eines Fehlers bei Garantieansprüchen enorm. Dies ist bei großen Versorgungsprojekten üblich, bei denen vormontierte Peitschen und Kabelbäume sowie mehrere Subunternehmer zum Einsatz kommen.

Gelegentlich wird bei einer Inspektion zur Gesundheitsbeurteilung ein fehlerhafter Steckverbinder entdeckt, wie im Folgenden dargestellt, und ist äußerst besorgniserregend, da er das unmittelbare Risiko eines offenen Stromkreiszustands in der Nähe der Dachmembran sowie das langfristige Risiko möglicherweise Hunderter weiterer birgt wie es auf dem gleichen Dach.

Wir haben einen dramatischen Anstieg der Stakeholder beobachtet, die Connector-Probleme ernst nehmen und an der Umsetzung von Änderungen arbeiten. Allerdings sind Ausfälle bei Schnellabschaltgeräten noch relativ neu und werden von vielen nicht ausreichend verstanden. Wir hatten die Gelegenheit, mehrere Vorfälle zu untersuchen und die Nuancen und Herausforderungen bei der Installation besser zu verstehen. Das Foto unten zeigt, wie die durch Überhitzung verursachte thermische Verformung eines RSD sehr subtil und kaum zu unterscheiden sein kann. Wenn es jedoch zum Scheitern kommt, kann es katastrophal sein.

Die Brandflecken auf diesem Modul geben Hinweise darauf, wie die Komponenten ausgefallen sind. Der genaue Mechanismus des Ausfalls ist noch unbekannt und wird untersucht, die Hinweise auf einen Ausfall der Leistungselektronik können jedoch nicht ignoriert werden.

Eigentümer und Systembetreiber sind sich des Risikos bewusst und legen Wert auf die Identifizierung fehlerhafter Komponenten, mangelhafter Verarbeitung oder inkompatibler Geräte.

Die anhaltenden Schwierigkeiten in der Lieferkette, mit denen die Solarindustrie zu kämpfen hat, verschärfen das vorliegende Problem. Häufig sind bevorzugte Produkte oder Module nicht verfügbar, und Installateure wissen erst, was sie erhalten, wenn sie vor Ort eintreffen, oder müssen akzeptieren, was verfügbar ist. Dies zwingt die Installateure dazu, entweder auf die bevorzugte Ausrüstung zu warten oder alternative Lösungen zu finden, um die Arbeit pünktlich abzuschließen. Normalerweise können Projekte nicht warten.

Dies verschärft auch das bisher häufigste Problem: nicht übereinstimmende PV-Stecker vom Modul zum Schnellabschaltgerät. Der NEC-Codezyklus 2020 berücksichtigte dies, indem er „ähnliche Steckverbinder“ forderte, was das Cross-Mapping-Problem löst – aber möglicherweise ein anderes Problem entstehen lässt.

Um potenzielle Steckverbinderausfälle durch Kreuzstecken zu verhindern, besteht eine Lösung darin, werkseitig montierte Jumper zu verwenden, um sicherzustellen, dass gleiche Steckverbinder gesteckt werden. Durch das Hinzufügen von Jumpern erhöht sich jedoch nur die Anzahl der Anschlüsse, wodurch sich die potenziellen Fehlerquellen verdoppeln oder verdreifachen.

Die Verwendung von werkseitig montierten Jumpern anstelle von vor Ort montierten Jumpern ist eine intelligente Lösung, da sie die Variabilität bei der Herstellung von Anschlüssen auf dem Dach mit falschen Werkzeugen oder unzureichender Schulung verringert. Allerdings ist auch die Auswahl des richtigen Pulloverlieferanten ein wichtiges Detail, das es zu berücksichtigen gilt. Ein „fabrikmontierter“ Pullover wird häufig immer noch von Hand am Fließband und nicht in einem automatisierten Prozess hergestellt. Dieser Mangel an Automatisierung kann auch zu einer inkonsistenten Qualitätskontrolle führen, die von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich sein kann. Daher müssen Jumper von einem seriösen Lieferanten mit strengen und zuverlässigen QC-Standards gekauft werden.

Die Kombination aus 1) komplizierterer Ausrüstung im System, 2) mehr Verbindungspunkten und 3) starkem Druck, die Installationskosten niedrig zu halten, ist ein perfektes Rezept für eine Katastrophe, und es ist ein Rezept, das wir in den Code integriert haben. Lösungen müssen gründlich unter Berücksichtigung der Betriebslebensdauer evaluiert werden.

Bessere Planung während der Entwurfs- und Beschaffungsphase, um zu verhindern, dass dies zu einem tatsächlichen Problem wird. Das bedeutet, dass die Entwicklungs- und Beschaffungsteams eng zusammenarbeiten müssen, um die Komponenten zu spezifizieren, die mit anderen Komponenten interagieren müssen, um sicherzustellen, dass sie tatsächlich kompatibel und verfügbar sind. Dieser Schritt scheint offensichtlich, wird aber oft übersehen oder nicht betont. Aufgrund der Marktdynamik und Einschränkungen in der Lieferkette in Verbindung mit beschleunigten Designzeitplänen handelt es sich um einen anspruchsvollen Prozess. Es ist jedoch wichtig, komplexere technische Lösungen (wie Jumper) zu vermeiden, die weitere Fehlerquellen mit sich bringen.

Verbessern Sie die Systemüberwachungspraktiken und Reaktionszeiten. Von den ersten Warnzeichen bis zu einem tatsächlichen thermischen Ereignis vergehen in der Regel einige Tage. Die Verbesserung der Kriterien für Alarme im Zusammenhang mit Warnzeichen kann dazu beitragen, die Brandgefahr zu verringern. Darüber hinaus ist auch die Verbesserung der Reaktionszeit, sobald Frühwarnzeichen erkannt werden, ein Schlüsselfaktor. Die Herausforderung bei dieser Lösung besteht darin, sich stärker auf O&M-Anbieter zu verlassen, die Hunderte oder Tausende von Systemen gleichzeitig überwachen, und auf die inhärente Trägheit der sich ändernden tief verwurzelten Geschäftspraktiken.

Ziehen Sie UL 3741-zertifizierte Geräte in Betracht, die einen Weg zur Eliminierung von MLPE bieten. Die neue Zertifizierung hat im Vergleich zu aktuellen Lösungen ihre eigenen Vor- und Nachteile. Wenn beispielsweise ein System zusammenhängend ist und der Wechselrichter innerhalb der Array-Grenze platziert werden kann, ist MLPE bei bestimmten UL 3741-zertifizierten Systemen nicht erforderlich, wodurch zusätzliche Komponenten und Verbindungen entfallen. Allerdings gibt es aufgrund der jüngsten Veröffentlichung des Standards derzeit nur wenige zertifizierte Lösungen auf dem Markt.

Aktuelle Lösungen zur schnellen Abschaltung haben bei großen, verteilten Arrays immer noch ihre Berechtigung, wenn ein zusammenhängendes Design nicht möglich ist. Allerdings bietet diese Weiterentwicklung des Codes und der Branche die Möglichkeit, die Sicherheitsbestimmungen zu überdenken, die ursprünglich durch die Anforderungen für schnelle Abschaltungen vorgeschlagen wurden.

Die Probleme, mit denen wir in den USA konfrontiert sind, sind nicht einzigartig. Auch andere Länder stehen vor ähnlichen Herausforderungen. Ein Beispiel ist die 2012 eingeführte Gleichstrom-Isolator-Anforderung für Dachanlagen in Australien, um die Anlagen sicherer zu machen. Allerdings war das Gerät anfällig für das Eindringen von Wasser und führte häufig zu Bränden, wenn die Gleichstromkontakte unter Wasser standen. Die Statistiken von Fire and Rescue New South Whales zeigten, dass sich die Zahl der durch Photovoltaik verursachten Brände in den darauffolgenden fünf Jahren verfünffachte, was häufig auf defekte Gleichstrom-Trennschalter zurückzuführen war.

Die Anforderung wurde schließlich Ende 2021 abgeschafft. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, die potenziellen Risiken und unbeabsichtigten Folgen zu verstehen, die mit neuen Standards und Vorschriften einhergehen.

Die Solarindustrie befindet sich in einer misslichen Lage, in der die Befolgung des Kodex, der PV-Anlagen sicherer machen soll, statistisch gesehen ein erhöhtes Risiko darstellt. Die Branche kann sich nicht auf MLPE als alleinige Lösung für Dachsysteme verlassen. Um sichere und zuverlässige Systeme bereitzustellen, die ihre erwartete Lebensdauer von 25 Jahren überdauern und die gemachten Versprechen einhalten, sind alternative Optionen erforderlich. UL 3741 ist ein Schritt in die richtige Richtung und bietet Flexibilität bei den Designoptionen.

David Penalva ist CEO und Mitbegründer von HelioVolta. Er verfügt über einen technischen Hintergrund und leitet technische Teams mit mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Solar- und Energiespeicherbranche.

James Nagel ist COO und Mitbegründer von HelioVolta. Er hat einen Abschluss in Maschinenbau mit einem Abschluss in Elektrotechnik und verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Solar- und Energiespeicherbranche.

Thomas Cemo ist der Engineering Services Manager bei HelioVolta. Er verfügt über einen ingenieurwissenschaftlichen Hintergrund, einen Master in Maschinenbau und über 10 Jahre Erfahrung in der Solarbranche.

HelioVolta ist ein Unternehmen für Solar- und Energiespeichersoftware sowie technische Beratungsdienste. Ihre SolarGrade-Plattform standardisiert Verfahren zur Inspektion von Solar- und Energiespeichern, ermöglicht die Zusammenarbeit im Team und erstellt gemeinsam nutzbare professionelle Berichte. Kontaktieren Sie sie unter [email protected].

Zu unseren beliebtesten Serien gehören:Macht vorwärts! | Eine Zusammenarbeit mit BayWa re zur Diskussion übergeordneter Branchenthemen.Das Summen | Wo wir auf dem privaten Solarmarkt unsere 2 Cent pro kWh geben.Die Tonhöhe | Gespräche mit Solarherstellern über ihre neuen Technologien und Ideen.

Die tatsächlich beste Lösung besteht darin, einen Industriestandard für Steckverbinder zu schaffen, den jeder einhalten kann. Jeder behauptet, mit MC4 kompatibel zu sein, aber MC selbst lässt das nicht zu, und warum sollten sie das auch? Wir brauchen einen Standard, nach dem jeder produzieren kann. So funktionieren Mobiltelefone, das Internet und elektrische Systeme im Allgemeinen. Warum also nicht auch die Anschlüsse?!?!?!