Ergänzung Arbeitspaket 5.3
Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht
Abschlusstreffen März 2013
© Feuerwehr Weblog
Marcus Reichard, Florian Reil, Annett Sepanski
Abschlussbericht
Arbeitspaket 5.6
Motivation
Bisherige Arbeiten
Aktivitäten TÜV Rheinland
Recherche IST-Zustand
Versuche
Empfehlung
Ausblick
März 2013
Inhalt
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Arbeitspaket 5.6
Im Hinblick auf die zusätzlichen Gefahren beim Brand von Gebäuden, an oder auf denen
sich eine PV-Anlage befindet, sollen sowohl für die Feuerwehren, aber auch für die
Betreiber, Handlungsanweisungen festgelegt werden. Die aktuellen Ergebnisse
bisheriger Arbeitspakete fließen in diese Konzepte ein, welche in Form von normativen
Leitvorschriften den Berufs- und Freiwilligenfeuerwehren und Anlagenbetreibern zur
Verfügung gestellt werden.
Ergänzung:
Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
März 2013
AP 5.6 Erstellung von Handlungsanweisungen für Feuerwehreinsatzkräfte in
Zusammenarbeit mit den Berufsfeuerwehren für den Brandeinsatz bei
Beteiligung einer PV-Anlage
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Motivation
Weiterführende Untersuchungen zu der Thematik, ob Kunstlicht gefährliche Ströme
und Spannungen in PV-Anlagen erzeugen kann.
Es sollen berücksichtigt werden:
- Verschiedene Scheinwerferarten
- Verschiedene Modultechnologien
- Variable Abstände
März 2013
Aufgabenstellung
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Bisherige Arbeiten
„Gefährdung der Feuerwehr beim Löschangriff an PV-Anlagen bei Mond- und
Kunstlicht“
Versuche an längsorientierten Strängen mit Halogenscheinwerfern 1 kW und 2 kW
Ergebnisse:
- Bei Kunstlicht besteht keine Gefährdung
- Inhomogene Ausleuchtung der Module
durch längsorientierte Ausrichtung
- Leerlaufspannung UL ≤ 60 % von UL-STC
- Kurzschlussstrom IK ≤ 0,1 % von IK-STC
März 2013
Prof. Dr. Häberlin – Berner Fachhochschule
© Prof. Dr. Häberlin BFH-TI
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Sofern ein Mindestabstand von 12 m (1 kW)
bzw. 17m (2 kW) eingehalten wird
Bisherige Arbeiten
„Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project“ November 2011
Im Auftrag des United States Department of Homeland Security und der Federal
Emergency Management Agency wurden durch Underwriters Laboratories Inc. die
möglichen Risiken, welche durch eine PV-Anlage für Einsatzkräfte der Feuerwehr
entstehen können untersucht.
Folgende Aspekte wurden untersucht (Auszug):
- Stromschlaggefahr
- Elektrisch isolierende Eigenschaften von Feuerwehr Handschuhen und Stiefeln
- Zerstören von PV-Modulen unter Last zur Not-Freischaltung
- Beurteilung der Gefährdung bei Bestrahlung der PV-Anlage durch
- Feuerschein
- Schwaches Umgebungslicht
- Künstliches Licht
März 2013
Underwriters Laboratories Inc.
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Bisherige Arbeiten
Ergebnis: Die Einsatzstellenbeleuchtung der Feuerwehr kann in Abhängigkeit des
Abstandes und der Leistung der Scheinwerfer die Gefahr eines elektrischen Schocks
verursachen.
Es ist nicht bekannt, mit welcher Scheinwerfertechnologie
gearbeitet wurde (vermutlich Halogenlampen) und welche
Bestrahlungsstärken erzeugt wurden.
März 2013
Underwriters Laboratories Inc.
© Underwriters Laboratories
©
Underwriters
Laboratories
Bed: Ladefläche
Boom: Ausleger
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Aktivitäten TÜV Rheinland
Definition einer Abstandsformel, über die im Brandeinsatz mit beteiligter PV-Anlage der
notwendige Mindestabstand zwischen Scheinwerfer und PV-Anlage bestimmt werden
kann
Anforderungen:
- Allgemeingültige Anwendbarkeit (unabhängig von der vorhandenen
Scheinwerfer- und Zelltechnologie)
- Anwendung auch unter hoher psychischer und physischer Belastung
möglich
März 2013
Zielsetzung
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Recherche IST-Zustand
Glühlampen
- Halogenscheinwerfer (H)
Gasentladungslampen
- Leuchtstofflampen (LS)
- Halogen-Metalldampflampen (HM)
- Natriumdampf-Hochdrucklampen (HN)
- Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (HQ)
- Xenon-Bogenlampen (Xenon)
Leuchtdiode (LED - Light-Emitting Diode)
März 2013
Scheinwerferarten - Theorie
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Recherche IST-Zustand
Abfrage bei den Leitern der Berufsfeuerwehren in Deutschland ergab:
Großflächige Einsatzstellenbeleuchtung durch:
- Flutlichtscheinwerfer mit Glühlampen (H)
Leistung: i.d.R. 1.000 – 1.500 [W] (selten auch 500 bzw. 2.000 [W])
Montage: Stativ, LiMa, DLK, ...
- Flutlichtscheinwerfer / Leuchtballons mit Gasentladungslampen (HM/HQ)
- Leistung: i.d.R. 1.000 [W]
- Montage: Stativ, LiMa, DLK, ….
- Arbeitsscheinwerfer mit Gasentladungslampen (Xenon)
- Leistung: bis ~100 [W]
- Montage: LiMa, DLK, …
- Arbeitsscheinwerfer mit LED-Lampen
- Leistung: bis ~150 [W]
- Montage: LiMa, DLK, Stativ, …
März 2013
Scheinwerferarten - Praxis Berufsfeuerwehr Deutschland
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
LiMa = Lichtmast
DLK = Drehleiter mit Korb
Versuche
März 2013
Problemstellung (1/2)
Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von
seiner aufgenommenen Leistung?
Vergleich unterschiedlicher Leistungsklassen innerhalb einer
Scheinwerfertechnologie
Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums
bereits ausgeschlossen werden?
Vergleich der spektralen Bestrahlungsstärke GE verschiedener Scheinwerfer
mit der spektralen Empfindlichkeit S unterschiedlicher Zelltechnologien
Scheinwerfer mit „unkritischem“ Spektrum ermitteln
Können Scheinwerfer auf Grund ihrer Bauform bereits ausgeschlossen werden?
Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer
ermittelt werden?
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Versuche
März 2013
Problemstellung (2/2)
Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung
einer PV-Anlage?
Auf die Bestrahlungsstärke G bezogen
Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem / mehreren
Modul(en) mit einem / mehreren Scheinwerfer(n) erzeugt werden?
Worst-Case Körperwiderstand RK von 500 [Ω]
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Versuche
März 2013
Gliederung
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Versuche
März 2013
Verfügbare Scheinwerfer
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 - Spektralvermessung
März 2013
Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Zelltechnologien
Relative spektrale Empfindlichkeit SREL verschiedener Zelltechnologien (Werte können herstellerabhängig Unterschiede aufweisen)
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 - Spektralvermessung
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 - Spektralvermessung
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 - Spektralvermessung
März 2013
Ergebnisse
Verhält sich das elektromagnetische Spektrum eines Scheinwerfers unabhängig von
seiner aufgenommenen Leistung?
Ja, Scheinwerfer mit max. Leistung = Worst-Case
(Unterschiede bedingt durch Schutzglas und Reflektor)
Können Scheinwerfer auf Grund ihres abgestrahlten elektromagnetischen Spektrums
bereits ausgeschlossen werden?
Nein, Ausschluss nur über die aufgenommene Leistung möglich
Kann über den leistungsbezogenen Wirkungsgrad η ein Worst-Case Scheinwerfer
ermittelt werden?
Nein, da η sich auf den visuellen Spektralbereich bezieht
Definition kritischer Scheinwerfer-Zell-Technologien daher über den theoretisch in 3 [m]
Abstand erzeugten Kurzschlussstrom ISC-ZELLE innerhalb einer Zelle
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 - Verteilung
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
d = 1,5 [m] d = 1 [m]
d = 0,5 [m]
Block 1 - Verteilung
März 2013
Ergebnisse
Unter welchen Bedingungen kommt es zu einer möglichst homogenen Ausleuchtung
einer PV-Anlage?
Homogenität steigt, wenn…
- der Abstand zwischen Scheinwerfer und Modul vergrößert wird;
- es zu einer Überlagerung mehrerer Scheinwerferkegel kommt;
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 – Scheinwerfer-Modul
März 2013
Module:
1.500 [W] Scheinwerfer mono c-Si (MSK Corporation, Modell LPS125-180, ISC-STC: 6,58 [A], UOC-STC: 44,6 [V])
1.000 [W] Scheinwerfer poly c-Si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
d = 6 [m]
Block 1 – Scheinwerfer-Modul
März 2013
Module:
1.500 [W] Scheinwerfer mono c-Si (MSK Corporation, Modell LPS125-180, ISC-STC: 6,58 [A], UOC-STC: 44,6 [V])
1.000 [W] Scheinwerfer poly c-Si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 – Scheinwerfer-Modul
März 2013
Module:
1.500 [W] Scheinwerfer mono c-Si (MSK Corporation, Modell LPS125-180, ISC-STC: 6,58 [A], UOC-STC: 44,6 [V])
1.000 [W] Scheinwerfer poly c-Si (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 1 – Scheinwerfer-Modul
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
d = 0,5 [m]
Block 1 - Scheinwerfer-Modul
März 2013
Ergebnisse
Welche Spannung / Ströme können durch die Ausleuchtung von einem Modul mit
einem Scheinwerfer erzeugt werden?
Bei Halogenscheinwerfer 1.000 [W], d = 6 [m]:
IRK=500Ω = 32,8 [mA] ISC = 40,4 [mA]
URK=500Ω = 16,6 [V] UOC = 30,9 [V]
Extrapolation daher mit ISC- / UOC-Werten
Gefährdungsgrenze: 25 [mA] (Obergrenze IEC 60479-1 Bereich 2)
Minimalabstand: 8,75 [m]
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 2 - Modellversuche
März 2013
Module: 6 x poly c-Si in Reihe (Suntech, Modell STP150-24/Ac, ISC-STC: 4,7 [A], UOC-STC: 43,3 [V])
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 2 - Modellversuche
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 2 - Modellversuche
März 2013
Messwerte
Extrapolation
Vergleich der ISC-Extrapolationen aus Block 1 Versuch 3 mit den Messwerten aus Block 2 K6
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Block 2 - Modellversuche
März 2013
Ergebnisse
Welche Spannungen / Ströme können durch die Ausleuchtung mehrerer Module mit
mehreren Scheinwerfern erzeugt werden?
Beispielhaft für d = 10 [m] und 1 Strang (10 poly c-Si Module in Reihe)
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Versuche
Kunstlicht ist dazu in der Lage, Spannungen und Ströme in einer PV-Anlage zu
erzeugen, welche als gefährlich zu beurteilen sind!
März 2013
Schlussfolgerung
Bedingung Randbedingung im Einsatz gegeben?
Senkrechte Einstrahlung auf Modulfläche Unwahrscheinlich
Maximale Verteilungshomogenität der
Bestrahlungsstärke
Unwahrscheinlich
Scheinwerfer = Punktstrahler Nein
Körperwiderstand RK = 0 [Ω] > 500 [Ω]
Kombination der kritischsten
Scheinwerfertechnologie
Anwendung verschiedener
Scheinwerfertechnologien
Ausrichtung der Scheinwerfer auf max.
Bestrahlungsstärke
Ausrichtung der Scheinwerfer auf max.
Beleuchtungsfläche
Keine Verschattung der Module Teilverschattung durch z.B. Rauch
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Empfehlung
März 2013
Abstandsformel
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Als Grundabstand für 1.000 [W] Leistung gilt 10 [m]
Wenn die Scheinwerferleistung erhöht wird:
Grundabstand + 1,5 [m] je 1.000 [W] zusätzlicher Leistung
Anwendbar auch unter hoher psychischer und physischer Belastung
Allgemeingültig für jede Scheinwerfertechnologie anwendbar
Empfehlung
März 2013
Abstandsformel - Überprüfung
𝒅∑𝑷𝑨𝑼𝑭>1𝒌𝑾 = 𝟏𝟎 𝒎 + ∑𝑷𝑨𝑼𝑭 𝒌𝑾 ∗ 𝟏, 𝟓𝒎
𝒌𝑾
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Ausblick
März 2013
Block 3
Überprüfung der Abstandsformel an bestehender PV-Anlage
Größenordnung Ein- bzw. Mehrfamilienhaus
Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit mono c-Si Zellen
Überprüfung der Abstandsformel an Modulen mit ISC-STC > 4,7 [A]
Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
März 2013 Abschlusstreffen „Ströme in PV-Anlagen bei Kunstlicht“