Welche Inspektionsmethode bevorzugen Sie? Methode (2/3) Thermografie

Es gibt verschiedene Inspektionsmethoden, die bei einer Solaranlage durchgeführt werden können. Abhängig von Dimension und Zweck können Sie die für Sie am besten geeignete Inspektionsart wählen.

Es ist tatsächlich notwendig und wichtig, den Zustand des Photovoltaiksystems sowohl während der Bau- als auch der Betriebs- und Wartungsphase zu kennen.

Wir werden daher 3 verschiedene Inspektionsmethoden für Solarparks, ihre Vorteile und Grenzen besprechen, nämlich: I-V-Kennlinien, Thermografie und Elektrolumineszenz.

Inspektionsmethode – Thermografie

Was ist Thermografie und wie funktioniert sie?

Alle Objekte emittieren Infrarotstrahlung (IR) als Funktion ihrer Temperatur. Infrarotenergie wird durch die Vibration und Rotation von Atomen und Molekülen erzeugt. Je stärker die Bewegung, desto höher die Temperatur und desto mehr Infrarotenergie wird emittiert. Die Wärmebildtechnik ist eine Technologie, die Temperaturunterschiede über Objekte oder Oberflächen erfasst und anzeigt. Sie funktioniert durch die Detektion und Messung von Infrarotstrahlung, die von Objekten basierend auf ihrer Temperatur emittiert wird.

Wärmebildkameras enthalten spezialisierte Sensoren, die Infrarotstrahlung erfassen können, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Wie Sie vielleicht wissen, emittieren alle Objekte Wärme in Form von Infrarotstrahlung, wobei Menge und Wellenlänge von der Temperatur des Objekts abhängen. Thermografische Geräte sammeln diese emittierte Infrarotstrahlung von der Objektoberfläche und wandeln sie in ein Wärmebild um.

Dieses Wärmebild wird typischerweise mit variierenden Farben oder Schattierungen (Paletten) angezeigt, wobei wärmere Bereiche üblicherweise durch hellere Farben und kühlere Bereiche als dunklere Farben dargestellt werden. Thermografen nutzen diese Wärmebilder als Inspektionsmethode, um Temperaturabweichungen oder spezifische Muster zu identifizieren und sie für verschiedene Anwendungen in Bereichen wie der elektrischen Wartung (Kabel und Verbindungen, elektrische Schaltanlagen und Solarmodule) zu analysieren.

Die Kameras sehen keine Temperaturen, sie erfassen Wärmestrahlung.

IR ist die Technik zur Erzeugung eines Bildes von unsichtbarem (für unsere Augen) Infrarotlicht, das von Objekten aufgrund ihres thermischen Zustands emittiert wird.

Die Wärmebildkameras sehen aus wie jede andere Kamera, haben aber die Fähigkeit, das Spektralband von 7 bis 14 Mikrometern (7.000 nm–14.000 nm) Wellenlänge aufzuzeichnen, wo terrestrische Temperaturziele den Großteil ihrer Infrarotenergie emittieren.

Die Preisspanne für Wärmebildkameras liegt zwischen 100€ und 10.000€, abhängig vom Kameratyp, ihren Funktionen und ihrer Auflösung. Die beste Auflösung für industrielle/kommerzielle Anwendungen hinsichtlich Preis/Qualität ist 640×512.

Die andere Sache, derer Sie sich bewusst sein müssen, ist, ob die Kamera radiometrisch ist oder nicht. Was bedeutet das? Wenn Sie die genaue Temperatur jedes Bildpixels wissen wollen, müssen Sie eine radiometrische Kamera haben. Diese Kameras zeichnen alle Metainformationen bezüglich der von der Kamera gemessenen Temperatur auf, und dann können Sie mit einer entsprechenden Software die genaue Temperatur an einer bestimmten Stelle bestimmen.

Wenn die Kamera hingegen keine radiometrischen Bilder aufzeichnet, können Sie nur die Unterschiede in der Farbpalette sehen. Je nach Anwendung und Qualität der Inspektionsmethode könnte dies ausreichen. Es liegt an Ihnen, zu entscheiden.

Das von Ihnen bereitgestellte Wärmebild veranschaulicht hervorragend die Auswirkungen von Verschmutzungen, insbesondere in der Nähe des Rahmens, auf Solarmodule. Verschmutzungen behindern effektiv die Fähigkeit der Module, Sonnenlicht (Photonen) zu absorbieren, was wiederum den photovoltaischen Effekt blockiert. Anstatt Sonnenlicht effizient in elektrische Energie umzuwandeln, sammelt sich die von der Sonne erzeugte Wärme an, was zur Bildung von Hotspots führt.

Eine effektive Lösung, um solche Probleme zu verhindern, ist die Verwendung eines Solar-Wasserableiters wie Solarud. Die Drainagefunktion von Solarud hilft, die Paneele sauber und frei von angesammeltem Wasser, Staub und Schmutz zu halten. Durch die Aufrechterhaltung der Sauberkeit der Paneele trägt Solarud zu einer optimalen Energieproduktion bei und reduziert das Risiko von Hotspots, wodurch die langfristige Effizienz und Zuverlässigkeit des Photovoltaiksystems gewährleistet wird.

Thermografie von Solaranlagen

Die Solarmodule weisen eine durch Thermografie sichtbare Temperatur auf, die mit der Sonneneinstrahlung und dem Zustand der Module variiert. Ist das Solarmodul in irgendeiner Weise beschädigt, ist die Temperatur an dieser Stelle höher als an ihren Pendants. Es gibt einige Defekte, die durch Drohnen-Thermografie erkannt werden können, und dies ist die effektivste Methode, um eine Solaranlage als Ganzes zu inspizieren.

Es ist möglich, eine Route und einen Zeitstempel für die Bildaufzeichnung zu definieren, und die Drohne erledigt den Rest, während Sie sich ausruhen. Danach müssen Sie die Bilder nur noch analysieren oder jemanden bitten, dies für Sie zu tun. Es gibt mehrere Unternehmen, die sich darauf spezialisiert haben (RaptorMaps, Above, Scopito, Sitemark).

Es gibt einen Standard für PV-Drohneninspektionen mit Richtlinien für die einzuhaltenden bewährten Praktiken. Der Standard ist „IEC 62446-3 TS: Photovoltaische (PV) Systeme – Anforderungen für Prüfung, Dokumentation und Wartung – Teil 3: Outdoor-Infrarot-Thermografie von Photovoltaikmodulen und -anlagen“.

Unter anderem sind die wichtigsten zu beachtenden Regeln folgende:

– Der minimale Bestrahlungsstärke-Wert sollte 600 W/m² betragen. Dieser kann zum Zeitpunkt der Vermessung/Inspektion mit einem Bestrahlungsstärke-Sensor gemessen werden;

– Der GSD sollte bis zu 3cm/px betragen. GSD (Ground Sample Distance) ist definiert als der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Pixel, gemessen am Boden. Der Standard gibt an, dass eine Kantenlänge von 3 cm pro Pixel 5 x 5 Pixel auf einer 6-Zoll-PV-Zelle entspricht. Bei einer normalen Kamera liegt die Flughöhe etwa 20 bis 25 m über den Solarmodulen;

– Die Drohnengeschwindigkeit sollte weniger als 3 m/s betragen;

– Die Solarmodule sollten vor der Drohneninspektion sauber sein;

– Die Windgeschwindigkeit sollte weniger als 28 km/h betragen, da dies die thermischen Messungen beeinflussen könnte;

– Maximal 2 Achtel des Himmels, bedeckt von Cumulus-Wolken;

– Die Temperatur der Defekte sollte relativ zu 1000 W/m² angegeben werden;

– Der Blickwinkel, der Winkel zwischen der Moduloberfläche und der IR-Kamera, sollte 90° betragen; – Die Ergebnisse sollten von einem Thermografieexperten analysiert werden (ITC-Zertifizierung ist ratsam).

Hinsichtlich der Defekte klassifiziert der Standard 12 verschiedene Defekte, die durch Drohnen-Thermografie gefunden, klassifiziert und charakterisiert werden können:

1. Module im Leerlauf (kristallines Si und Dünnschicht);
2. Modul im Kurzschluss (kristallines Si);
3. Kristallines Si-Modul mit gebrochenem Frontglas (kristallines Si);
4. Teilstring im Kurzschluss (kristallines Si);
5. 1x Teilstring im Leerlauf, Verbindungsverlust innerhalb des Modul-Anschlusskastens oder Zellverbinders (kristallines Si und Dünnschicht);
6. 2x Teilstrings im Leerlauf, Verbindungsverlust innerhalb des Modul-Anschlusskastens (kristallines Si und Dünnschicht);
7. Einzelzelle mit Temperaturdifferenz (kristallines Si);
8. Modul mit durch Schmutz verschatteten Zellen (kristallines Si und Dünnschicht);
9. Dünnschichtmodul mit gebrochenem Frontglas;
10. Übergangswiderstand an Querverbindungen eines Dünnschichtmoduls;
11. Übergangswiderstand an Zellverbindungen eines kristallinen Si-Moduls;
12. Erhitzter Modul-Anschlusskasten (kristallines Si und Dünnschicht).

Jeder dieser Defekte weist eine Abnormalitätsklasse auf, die je nach spezifischen Mustern und gemessenen Temperaturen mit den Beispielen thermografischer Bilder und Temperaturunterschieden (gemäß Anhang C des Standards) verglichen werden muss. Drei Abnormalitätsklassen und ihre entsprechenden Folgemaßnahmen werden dann vorgestellt. Dies ist wichtig, da eine unmittelbare Gefahr (Stromschlag oder Brand) für Personal und Eigentum bestehen kann.

Diese Klassifizierung variiert mit der Art der Defekte und dem Temperaturunterschied, der zwischen dem defekten Muster und den gesunden benachbarten Solarzellen gemessen wird. Deshalb ist es für einige Anwendungen wichtig, eine radiometrische Kamera zu haben, wie oben erläutert.

Es ist auch wichtig zu erwähnen, dass diese Klassifizierung nicht nur die Auswirkung auf die Produktion, sondern auch die Sicherheit von Personen und Eigentum berücksichtigt. Hohe Temperaturen können zu Brand oder schweren Verbrennungen führen (eine defekte Solarzelle kann über 100°C erreichen).

Wie „liest“ man die Muster?

Je nachdem, welche Zellen oder Zellgruppen beschädigt sind, bildet sich ein Muster mit einer höheren Temperatur als bei den guten Zellen/Modulen.

Wenn ein Solarmodul die oben gezeigten Defekte auf den Wärmebildern aufweist, handelt es sich um einzelne Zellen mit Temperaturunterschieden, die durch Verschmutzung verursacht wurden, die mit Solarud hätte verhindert werden können.

Ist ein Teilstring heißer als die anderen, leitet die Diode den Strom um und dieser Teilstring funktioniert nicht.

Solarmodule bestehen typischerweise aus 60 oder 72 in Reihe geschalteten Solarzellen. Dioden werden verwendet, um Rückstromfluss zu verhindern und sicherzustellen, dass der von den Zellen erzeugte Strom in die beabsichtigte Richtung fließt, von den Zellen zu den Ausgangsklemmen. Paneele sind mit Bypass-Dioden ausgestattet, die besonders nützlich sind, wenn es zu Verschattungen kommt. Wenn ein Abschnitt des Paneels verschattet ist oder nicht richtig funktioniert, ermöglicht die Bypass-Diode dem Strom, den verschatteten Bereich zu umgehen, wodurch verhindert wird, dass die Gesamtleistung des Paneels abnimmt. Aus diesem Grund haben Halbzellen-PV-Module heute einen so guten Ruf. Sie können das Solarmodul mit nur 3 Dioden in 6 verschiedene Bereiche „aufteilen“.

Das Erkennen solcher Temperaturanomalien durch diese Inspektionsmethode ist entscheidend, um leistungsschwache oder fehlerhafte Abschnitte eines Solarmoduls zu lokalisieren. Es hilft Solartechnikern und Wartungsteams, Probleme schnell zu finden und zu beheben, um sicherzustellen, dass das PV-System effizient und mit voller Kapazität arbeitet. Dieser Defekt wird auch durch IV-Kennlinien erkannt, aber die Verwendung von Thermografie ist effizienter, was die für die Inspektion eines großen Bereichs benötigte Zeit betrifft.

Wenn der Anschlusskasten (wo sich die Dioden befinden) eines Solarmoduls heißer ist als der Anschlusskasten der benachbarten Module, liegt ein Problem vor (Überhitzter Modul-Anschlusskasten). Es ist ratsam, dies genauer zu untersuchen, da dies zu Lichtbögen und folglich zu Bränden führen kann.

Die erhöhte Temperatur im Modulanschlusskasten deutet stark auf eine Anomalie in diesem spezifischen Modul hin. Dieses Problem könnte mit verschiedenen Komponenten im Anschlusskasten zusammenhängen, einschließlich Dioden, Steckverbindern oder Verdrahtung. Was dies zu einem Grund zur Besorgnis macht, ist das Risiko elektrischer Probleme, die aus dieser Überhitzung resultieren.

Besondere Besorgnis erregt die Möglichkeit der Bildung von Lichtbögen im Anschlusskasten. Lichtbögen sind starke elektrische Entladungen, die zu Schäden, Überhitzung und im schlimmsten Fall zu Bränden führen können. Eine proaktive Behebung dieser Situation ist entscheidend, um weitere Komplikationen zu vermeiden.

Sind mehrere Zellen in einem Solarmodul scheinbar zufällig heißer als andere, kann das Problem ein Kurzschluss (oder Bruch) des Moduls sein. Es ist auch wichtig, dass bei der thermischen Untersuchung sichtbare Bilder derselben Stellen aufgezeichnet werden. Das sichtbare Bild kann an sich den Ursprung des Problems verraten (Verschmutzung, Glasbruch, Schneckenspuren, Risse auf der Rückseitenfolie...).

Einige thermische Muster, die in Solarmodulen beobachtet werden, können eine weitere Untersuchung vor Ort erfordern, oft in Kombination mit ergänzenden Inspektionsmethoden, um ein abschließendes Verständnis eines spezifischen Problems zu erlangen. Während die Wärmebildgebung wertvolle erste Einblicke liefern kann, können bestimmte Probleme eine tiefere Bewertung erfordern, um ihre Ursachen und potenzielle Lösungen zu bestimmen.

In einigen Fällen kann trotz sorgfältiger Feldinspektionen und Diagnosen der geeignetste Ansatz darin bestehen, den Hersteller zu kontaktieren. Hersteller verfügen über fundierte Kenntnisse ihrer Solarmodule, da sie diese umfassend entworfen und getestet haben. Sie sind bestens gerüstet, um Anleitungen und Fachwissen bei der Diagnose und Behebung von Problemen bereitzustellen, die bei ihrem spezifischen Produkt auftreten können.

Die Unterstützung durch den Hersteller kann bei komplexen oder einzigartigen Problemen von unschätzbarem Wert sein, da er maßgeschneiderte Lösungen und Empfehlungen auf der Grundlage seiner Expertise anbieten kann. Darüber hinaus können Hersteller Zugang zu historischen Daten und technischen Erkenntnissen haben, die bei der Problemlösung helfen können.

Letztendlich ist die Zusammenarbeit mit dem Hersteller bei schwierigen oder hartnäckigen Problemen im Zusammenhang mit der Leistung von Solarmodulen und thermischen Mustern ein strategischer Schritt, um ein umfassendes Verständnis des Problems zu erlangen und eine effektive Lösung zu finden. Sie unterstreicht die Bedeutung offener Kommunikationswege und der Inanspruchnahme von Expertenrat, wenn dies erforderlich ist, um die kontinuierliche Effizienz und Zuverlässigkeit von Solarmodulsystemen zu gewährleisten.

Fazit: Inspektionsmethode – Thermografie

Sie ist eine der besten Inspektionsmethoden, um den Gesamtzustand des Solarparks zu ermitteln. Sie ist die schnellste und kostengünstigste Methode, um Defekte in Solarmodulen zu erkennen und in Tausenden von Modulen diejenigen zu identifizieren, die ersetzt oder deren Entwicklung der erkannten Defekte verfolgt werden muss.

Derzeit kann eine Drohneninspektion für 100 bis 250 €/MWp beauftragt werden, abhängig vom Alter, Standort und Layout des Solarfelds. Der Bericht sollte dem Standard IEC DTS 62446-3 TS entsprechen, und ein zertifizierter Thermograf sollte die Bildanalyse durchführen.

Die Drohnen-Thermografie-Inspektion ist eine gute Inspektionsmethode, um die Stichprobe, die durch I-V-Kennlinien und visuelle Inspektion vor Ort überprüft werden muss, zu reduzieren.

Eine regelmäßige IR-Inspektion sollte an Ihrer Solaranlage durchgeführt werden, um den guten Zustand der wesentlichen Energieerzeugungsquelle: der Solarmodule, zu gewährleisten.

Mit freundlichen Grüßen,
Das Solarud Team