Untersuchungen zur Ammoniak-Beständigkeit von monokristallinen PV Modulen in der realen Atmosphäre eines Schweinestalles

 

Ermittlung des elektrischen Energieertrages von 12 PV-Modultypen, im Vergleich

Projektbetreuer: Stefan Hock, Elektrotechniker im TEC-Institut für technische Innovationen

Autor: Dipl. Ing. (FH) Eberhard Zentgraf – Elektroingenieur im TEC-Institut für
technische Innovationen

An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes, wissenschaftlichesTeam:
S. Hock
E. Zentgraf
A. Höfling
M. Gerhard
M. Moore
S. Schulz
S. Salg
F. Oberle

 

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Vorgehensweise
3. Versuchsaufbau und –durchführung
3.1. Erste Kontrolle nach ca. 4 Wochen
3.2. Untersuchung nach 6 Monaten
4. Mess- und Untersuchungsergebnisse
4.1. Optische Begutachtung nach der Reinigung
4.2. Messergebnisse der Umgebungsparameter
4.3. Elektrische Modulwerte
5. Fazit
6. Equipment
7. Danksagung

 

1. Einleitung
Die Dachflächen von landwirtschaftlichen Gebäuden sind oftmals ideal zur Montage von PVAnlagen
geeignet. Dies gilt auch für die Dächer von Ställen, also Gebäuden für die
Tierhaltung. Allerdings gibt es seit längerer Zeit Befürchtungen, dass die ammoniakhaltigen
Ausdünstungen der Tiere (speziell Geflügel und Schweine) im Laufe der Zeit die PV-Module
schädigen könnten. In der Regel gelangt in der Umgebung solcher Ställe, durch Be- und
Entlüftungssysteme, das Ammoniak (NH3) in die Außenluft und damit auch an die PVModule.

Ammoniak kann, in entsprechender Konzentration, Oberflächen von Gegenständen
angreifen und zur Korrosion bringen. Das gilt grundsätzlich auch für alle Teile von PVModulen,
welche der Umgebungsluft ausgesetzt sind.

In Deutschland wird zurzeit nach mehreren verschiedenen Prüfverfahren die
Ammoniakbeständigkeit von PV-Modulen getestet. Die wohl am häufigsten verwendeten
Prüfmethoden sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Gängige Prüfmethoden, Ammoniak-Beständigkeit von PV-Modulen

Tabelle 1: Gängige Prüfmethoden, Ammoniak-Beständigkeit von PV-Modulen

Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, unterscheiden sich die verschiedenen Prüfmethoden zum
Teil erheblich in der NH3- Konzentration, der Umgebungstemperatur und der
Umgebungsluftfeuchtigkeit. Allen gemein ist, dass die Prüfungsdauer kleiner als ein Monat
ist und dass alle Prüfungen unter künstlichen Bedingungen im Labor durchgeführt werden,
teilweise sogar mit Schwefeldioxid (SO2)-Atmosphäre und nicht unter Ammoniak- (NH3)
Atmosphäre.

2. Vorgehensweise
Daher legten wir uns auf folgende Prüfmethoden fest:
a) Die Untersuchungen sollen in einer realen Schweinestall-Atmosphäre stattfinden (mit
sämtlichen, in dieser Luft enthaltenen Komponenten) und
b) Als Langzeittestreihen mindestens 6 Monate laufen. Nach diesen 6 Monaten soll ein
Bericht erstellt werden.

Ein befreundeter Landwirt, der einen Schweine-Aufzucht-Betrieb mit bis zu ca. 1000 Schweinen
führt, bot uns die Möglichkeit, diese Langzeittests durchzuführen.

3. Versuchsaufbau und Durchführung
Die Abb. 1 bis Abb. 8 zeigen Details der beiden verwendeten Testmodule ANTARIS ASM 180
und ASM 185 bevor diese in den Schweinestall gebracht wurden. Mit diesen Fotos wurde der
optische Ausgangszustand der beiden Module festgehalten, um einen Vergleich des optischen
Aussehens/Zustandes nach 6 Monaten zu ermöglichen.

Abb. 1: Ausgangszustand
Abb. 1: Ausgangszustand

Abb. 2. Ausgangszustand
Abb. 2. Ausgangszustand

Abb. 3: Ausgangszustand
Abb. 3: Ausgangszustand

Abb. 4: Ausgangszustand
Abb. 4: Ausgangszustand

Abb. 5: Ausgangszustand
Abb. 5: Ausgangszustand

Abb. 6: Ausgangszustand
Abb. 6: Ausgangszustand

Abb. 7: Ausgangszustand
Abb. 7: Ausgangszustand

Abb. 8: Ausgangszustand
Abb. 8: Ausgangszustand
Außerdem wurden beide Module auf dem Sonnensimulator unter Standart-Test-Bedingungen
(STC) ‚geflashed’, um auch die elektrischen Ausgangsdaten zu dokumentieren. Anschließend
wurden die beiden Module in den Schweinestall transportiert.

Der Stall ist in mehrere große Boxen unterteilt, in welchen sich die Schweine aufhalten.

Wir befestigten die beiden Testmodule (Typ ANTARIS ASM 180 und ASM 185) unterhalb der
Stalldecke. Ein Modul zeigte mit der Rückseite, das andere Modul mit der Vorderseite nach
unten. Siehe auch Abb. 9 und Abb. 10.

Abb. 9: Module unter der Schweinestall-Decke
Abb. 9: Module unter der Schweinestall-Decke

Abb. 10: Module unter der Schweinestall-Decke
Abb. 10: Module unter der Schweinestall-Decke

Zur ständigen Überwachung der Ammoniak-Konzentration wurde ein ‚GasAlert Extreme’ mit
NH3- Sensor ‚SR-A04’, der Fa. BW Technologies/Honeywell verwendet, welches ebenfalls unter
die Decke das Schweinestalls, in unmittelbarer Nähe der beiden Module angebracht wurde,
siehe Abb. 11. Dieses Gerät verfügt über einen Datenlogger, sodass die Messwerte über längere
Zeiträume gespeichert und abgerufen werden können.


Abb. 11: GasAlert Extreme zur Messung der Ammoniak-Konzentration
Abb. 11: GasAlert Extreme zur Messung der Ammoniak-Konzentration

Zur Verifizierung der Messwerte des GasAlert Extreme wurden in regelmäßigen Abständen
Kontroll-Stichproben mit Hilfe sog. RAE-Prüfröhrchen und einer Gasspürpumpe, Typ LP-1200
der Fa. ACE Gasmesstechnik, durchgeführt siehe Abb.12.
Abb.

Abb. 12: Vordergrund: Mess-System der Fa RAE mit Prüfröhrchen und Gasspürpumpe, im Hintergrund: testo 174H und GasAlert Extreme
Abb. 12: Vordergrund: Mess-System der Fa RAE mit Prüfröhrchen und Gasspürpumpe, im Hintergrund: testo 174H
und GasAlert Extreme

Luftfeuchtigkeit und Temperatur werden durch ein testo 174H aufgezeichnet. Dieses Gerät
enthält ebenfalls einen Datenlogger. Das testo 174H ist, außer in Abb. 12, auch in Abb 13 zu
sehen. Es ist das schwarze Kästchen, welches auf dem rechten Modul liegt und zum Teil durch
das gelbe GasAlert Extreme verdeckt wird.

Abb. 13: GasAlert Extreme und testo 174H
Abb. 13: GasAlert Extreme und testo 174H

3.1 Erste Kontrolle nach ca. 4 Wochen
Etwa 4 Wochen nach Start der Messungen wurden die beiden Datenlogger ausgelesen, eine
NH3-Verifizierungsmessung mit den Mess-Röhrchen durchgeführt, sowie einige Fotos
aufgenommen. Dabei wurde festgestellt, dass sich auf den Modulen bereits eine ca. 1 mm dicke
Staubschicht abgesetzt hatte, siehe Abb. 14 und Abb. 15. Die Unterseite der Module war nur
leicht verschmutzt, siehe Abb. 16.

Die Bewohner des Stalls verfolgten interessiert die Kontrollarbeiten (Datenlogger auslesen, etc.)
siehe Abb. 17.

Abb. 14: Staubschicht nach ca. 4 Wochen
Abb. 14: Staubschicht nach ca. 4 Wochen

Abb. 15: Staubschicht nach ca. 4 Wochen
Abb. 15: Staubschicht nach ca. 4 Wochen

Abb. 16: Unterseite ist nach ca. 4 Wochen nur leicht verschmutzt
Abb. 16: Unterseite ist nach ca. 4 Wochen nur leicht verschmutzt

Abb. 17: Die Bewohner des Stalls verfolgen interessiert die Kontrollarbeiten
Abb. 17: Die Bewohner des Stalls verfolgen interessiert die Kontrollarbeiten

3.2 Untersuchung nach 6 Monaten
Nach dem vorgesehenen Zeitraum wurden die beiden Module aus dem Schweinestall
herausgenommen und zu einer Untersuchung in unser TEC-Institut gebracht. Mittlerweile hatte
sich eine ca. 1 cm dicke Staubschicht auf die Seite der Module gelegt, welche im Stall nach
oben zeigte, siehe Abb. 18 und Abb. 19.

Die Unterseiten dagegen waren nicht stärker verschmutzt als dies in Abb. 16 (also nach ca. 4
Wochen) zu sehen war.

Abb. 18: Schmutzschicht nach 6 Monaten
Abb. 18: Schmutzschicht nach 6 Monaten

Abb. 19: Schmutzschicht nach 6 Monaten
Abb. 19: Schmutzschicht nach 6 Monaten
4. Mess- u. Untersuchungsergebnisse

4.1 Optische Begutachtung nach der Reinigung
Nachdem beide Module einer gründlichen Reinigung unterzogen wurden, ergab die optische
Untersuchung, dass nach 6 Monaten im Schweinestall keinerlei Schäden zu erkennen waren.
Weder die Aluminium-Rahmen, noch die Rückseiten-Folien, Frontgläser, Anschlussdosen, Kabel,
Stecker, Silikondichtungen zeigten Anzeichen von Korrosion, siehe Abb. 20 bis 28.

Abb. 20: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 20: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 21: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 21: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 22: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 22: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 23: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 23: Zustand nach 6 Monaten

 Abb. 24: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 24: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 25: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 25: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 26: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 26: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 27: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 27: Zustand nach 6 Monaten

Abb. 28: Zustand nach 6 Monaten
Abb. 28: Zustand nach 6 Monaten

Interessant ist in diesem Zusammenhang der Vergleich der Abb. 5 mit der Abb. 25. In Abb. 25
sind sehr deutlich drei bräunliche Flecken zu erkennen, welche sich im Bereich zwischen der
grünen Ziffer ‚römisch II’ und der Anschlussdose befinden. Diese Flecken wurden durch
Klebebänder verursacht, mit welchen ein A4-Notiz-Blatt, lange vor dem Start der
Versuchsreihen, an diesem Modul befestigt war. Bei genauem Hinschauen, sind diese drei
Flecken, allerdings wesentlich heller, auch auf Abb. 5 zu erkennen. Die bereits vor längerer Zeit
entfernten Klebebänder, hinterließen auf der Modulrückseite Reste des Klebers. Dieser Rest-
Kleber reagierte mit den Umgebungsbedingungen im Schweinestall und wurde bräunlich,
dagegen zeigten alle Komponenten der beiden Module keinerlei Reaktionen und blieben
unverändert.

4.2 Messergebnisse der Umgebungsparameter
Tabelle 2 zeigt die Maximal-, Minimal- und Mittelwerte von Ammoniak-Konzentration [ppm]
(parts per million), Luftfeuchtigkeit [%] und Temperatur [°C] im Zeitraum Anfang April 2011 bis
Ende September 2011.

Tab. 2: Maximal-, Minimal-, Mittelwerte von 04/2011 bis 09/2011
Tab. 2: Maximal-, Minimal-, Mittelwerte von 04/2011 bis 09/2011

Die Diagramme Abb. 29 bis Abb. 32 zeigen exemplarisch das Verhalten von Ammoniak-
Konzentration, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, jeweils über mehrere Stunden
Abb. 29: Beispiel: Verlauf der Ammoniak-Konzentration über einen Zeitraum von 14 Stunden
Abb. 29: Beispiel: Verlauf der Ammoniak-Konzentration über einen Zeitraum von 14 Stunden

 

Abb. 30: Verlauf von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Gleicher Zeitraum wie in Abb. 29
Abb. 30: Verlauf von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Gleicher Zeitraum wie in Abb. 29

 

Abb. 31: Beispiel: Verlauf der Ammoniak-Konzentration über einen Zeitraum von 24 Stunden
Abb. 31: Beispiel: Verlauf der Ammoniak-Konzentration über einen Zeitraum von 24 Stunden

 

Abb. 32: Verlauf von Temperatur und Luftfeuchtigkeit: Gleicher Zeitraum wie in Abb. 31
Abb. 32: Verlauf von Temperatur und Luftfeuchtigkeit: Gleicher Zeitraum wie in Abb. 31


4.3 Elektrische Werte:

Auch die elektrischen Werte der beiden Module wurden durch den sechsmonatigen Aufenthalt
im Schweinestall nicht beeinflusst. So ergaben beispielsweise die Messungen mit dem
Sonnensimulator vor und nach den sechs Monaten im Schweinestall, dass alle Messwerte
jeweils innerhalb der zulässigen Messtoleranzen (unter STC-Bedingungen) lagen. Beim PVModul
ANTARIS ASM 180 wurde ein Unterschied in der gemessenen elektrischen Leistung von
0,11%, beim ASM 185 von 0,39% festgestellt


5. Fazit

Der ununterbrochene sechsmonatige Aufenthalt der beiden PV-Module im ständig benutzten /
bewohnten Schweinestall hat keinerlei sichtbare bzw. messbare Schädigungen, bzw. negative
Beeinflussungen hinterlassen.


6. Equipment

Tabelle 3: Equipment Liste


7. Danksagung

Besonders bedanken möchten wir uns bei dem Landwirt, Herrn Konrad Staab, der es uns
ermöglichte, die Testreihen im Schweinestall seines landwirtschaftlichen Betriebes
durchzuführen.

Waldaschaff, 12. Oktober 2011

Eberhard Zentgraf
Dipl. Ing. (FH) Elektrotechnik