IX. Solar Conference Budapest 2019: Thermographic Examination of Solar Modules and Solar Collectors in Operation

Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, Gründer der PIM Professionelle Industrielle Messtechnik GmbH, zertifizierter Thermografie-Experte (Level 3), gerichtlich beeidigter Sachverständiger

Thermographic Condition Assessment of Solar Cell Systems

One of the youngest but presumably rapidly growing applications of thermography is the quality control during solar cell production and the condition assessment of installed modules or even entire solar cell power plants. While, for example, U-I characteristic curve checks clearly indicate when efficiency is deteriorating, most of the fault locations and types cannot be detected through this method, especially not by breaking down the modules. In contrast, thermography, assuming proper execution, can localize fault locations and distinguish between various different types of faults. Particularly in the case of large solar cell parks, this enables efficient operation and cost-effective maintenance. Typical faults and causes in solar systems Faults in photovoltaic systems can pose not only problems affecting their efficiency but also operational safety risks, including serious abnormalities that may even lead to fire hazards. Faults can be attributed to various causes, ranging from manufacturing and transportation to installation and poor operational or meteorological influences. Some faults can be visually detected, but most require appropriate measurement methods for identification. Among these, the recording of U-I characteristic curves, the application of electroluminescence, and thermographic condition assessment technologies are the most common. The faults can be categorized as follows: - electrical connection faults (incorrect polarity, contact faults, short circuits) - control faults (non-operational point operation, branch- or module-level bypass) - module-level faults (internal contact faults, shading, faulty module junction box, faulty bypass diode) - cell-level faults (breakage, hairline cracks, other aging, rupture, short circuit, PID) The majority of electrical and breakage-type faults can be attributed to poor transportation and even more so to unprofessional installation. The shading problem typically results from poor installation, poorly designed placement, or natural encroachment, such as overgrown vegetation or surface contamination. Faults solely due to aging are rare. To avoid misunderstandings, we would like to draw attention not to serious problems caused by faults but to some noticeable yet insignificant visual phenomena. There are cases where the appearance might suggest a serious fault to the layman, but in reality, it has little to no effect on the operation and performance of the photovoltaic system.

The damage caused by severe hailstorms or stone impacts is often visually recognizable. However, it is not certain that the apparently undamaged other modules have actually survived the storm unscathed. Any additional hairline cracks that are not visible to the naked eye can only be detected with one of the testing procedures presented below. Unfortunately, in many cases, these are only revealed after some time, when the penetrating moisture or the propagation of cracks causes the crystal itself to crack and short circuits or detachment of cell areas occur. Examination of solar systems based on electroluminescence images For the recognition of faults and the assessment of their severity, the recording of U-I characteristic curves, as well as examinations based on electroluminescence and thermography, are much more precise and effective than visual inspections.

Bis zur Auswertung der U-I-Kennlinie kann das System nur abschnittsweise Informationen über den Zustand und die aktuelle Leistungsfähigkeit mehrerer Module liefern. Die anderen beiden Verfahren sind in der Lage, die Fehlerlokalisierung und die Bestimmung der Art und Schwere des Fehlers pro Modul bzw. Zelle durchzuführen. Bevor wir zur Anwendung der Thermografie übergehen, werfen wir auch ein paar Worte zur Elektrolumineszenz ein. Das Grundkonzept der Prüfmethode besagt, dass aus elektronischer Sicht die Solarzellen eine großflächige lichtempfindliche Diode darstellen. Wenn sie bei Lichteinwirkung Strom erzeugen können, sollten sie bei umgekehrtem Betrieb, d.h. durch Anlegen von Strom, in der Lage sein, Licht abzugeben. Zellen, die auf diese Weise über ihre gesamte Oberfläche Licht abgeben, müssen auch in ihrem Energieerzeugungszustand gut funktionieren. Darauf basierend erfolgt bei vielen Herstellern auch die Produktionsüberwachung. Das von den Solarzellen abgegebene Lichtspektrum liegt hauptsächlich im kurzwelligen Infrarotbereich. Daher ist die Beobachtung mit kurzwelligen Thermografiesystemen möglich, die jedoch in der Praxis in der Regel nur für die schnelle Bewertung der Zellen während der Produktion in die Produktionslinie integriert werden. Bei Vor-Ort-Anwendungen, bei denen das Gewicht und die Größe solcher Photondetektorsysteme sowie ihre hohe Frequenz eine Rolle spielen, werden sie jedoch nicht eingesetzt. Bei Vor-Ort-Elektrolumineszenzuntersuchungen werden häufig umgebaute Kameras, meist Spiegelreflexkameras, verwendet. Diese müssen über einen CMOS-Detektor mit einem ausreichend breiten spektralen Bereich verfügen, sodass mit dem Einbau eines Infrarotfilters und der Verwendung eines kurzwelligen Strahlungsdurchlässigen, hochintensiven Objektivs die Strahlungsemission der Solarzellen erfasst werden kann. Natürlich erfordert die Messung eine lange Belichtungszeit, möglicherweise sogar einige Minuten, und das Ergebnis ist nicht kalibrierbar. Da die Sonneneinstrahlung tagsüber um Größenordnungen höher ist als die von den Solarzellen emittierte Strahlung im umgekehrten Betriebsmodus, werden Vor-Ort-Elektrolumineszenzaufnahmen eher nachts oder tagsüber mit Abdeckzelten durchgeführt. Dabei müssen natürlich die Module oder Stränge elektrisch vom System getrennt und mit der erforderlichen Rückführung für die Untersuchung versorgt werden. Wenn die Messung weder nachts noch tagsüber mit Abdeckzelten durchgeführt werden soll, ist jedoch die Verwendung einer echten Wärmebildkamera unerlässlich. Die neuesten CMOS-basierten kurzwelligen Wärmebildkameras ermöglichen mit geeigneten Filtern die Aufnahme von Elektrolumineszenzbildern auch tagsüber. Fehler, die mit Elektrolumineszenzprüfung erkannt werden können: • Mikrorisse und Brüche, Zellflächenablösungen • Ablösung von Oberflächen- und Zellkontakten oder erhöhter Widerstand • Kurzschluss innerhalb der Zelle oder des Moduls bzw. Strangs • PID-Schäden Thermografische Prüfung von Solaranlagen Aufgrund der Anschaffungskosten einer Wärmebildkamera, des erforderlichen minimalen Bestrahlungsniveaus und der anderen Messschwierigkeiten scheint die thermografische Prüfung im Vergleich zur zuvor vorgestellten Elektrolumineszenzprüfung nicht wettbewerbsfähig zu sein. Dennoch hat die Thermografie ihre Berechtigung, teilweise weil sie keine Umverdrahtung oder externe Stromversorgung erfordert. Dadurch entfällt das Mitführen eines 18...30 kg schweren Gleichstromnetzteils und die Bereitstellung der Stromversorgung. Andererseits bietet die Thermografie die Möglichkeit, in einem zeitlich angemessenen Rahmen die größten Flächen zu überprüfen, was sie vor allem bei großen Anlagen zu einer unverzichtbaren Technologie macht. Während beispielsweise U-I-Kennlinienprüfungen gut zeigen, dass etwas nicht stimmt und die Effizienz abnimmt, können die Fehler und Fehlerarten auf diesem Weg in der Regel nicht erkannt werden, auch nicht durch Aufteilung in Module. Die Thermografie hingegen kann bei ordnungsgemäßer Ausführung Fehler lokalisieren und verschiedene, voneinander abweichende Fehlererscheinungen unterscheiden. Insbesondere bei großen Solarzellenparks ermöglicht dies einen effizienten Betrieb und eine wirtschaftliche Wartung. Übliche Anwendungsbedingungen, Messumgebungen • Betrieb des Solarzellensystems im Energieerzeugungsbetrieb • Mindestens 600 W/m2 kontinuierliche Sonneneinstrahlung • Maximal 2/8 Cumuluswolken, leichte Quellwolken • Regen- und schneefrei, keine Feuchtigkeit oder Schnee auf den Zellen • Maximal 4 Beaufort (20 ... 29 km/h) Windgeschwindigkeit (= mäßiger Wind) • Sicherstellung eines angemessenen Sichtfelds und geometrischen Auflösung • Dokumentation großer Systeme mit Fotos und GPS-Koordinaten Fehler, die mit Thermografie gefunden werden können

• auf der Ebene der elektrischen Systemkomponenten: • Unterdimensionierte, überlastete Kabel, Verbindungen • Defekte, lockere, korrodierte Kontakte • Beschädigte oder fehlerhaft montierte Kabelschuhe, Aderendhülsen • Defekte Regler, Konverter

• Auf Zelle- und Modulniveau: • fehlerhafte Zellenverbindungen • Ablösung oder erhöhter Widerstand von Oberflächen- und Zellenkontakten • Überhitzung der Modulanschlussdosen aufgrund von Kontaktfehlern oder funktionierenden Bypass-Dioden • Leerlauf, lastfreie, kurzgeschlossene Module oder Modulreihen • Kurzschluss- oder Polaritätsfehler in Modulen oder Modulreihen • Wärmeentwicklung durch Beschattung aufgrund von Vegetation, Gebäudeteilen oder Verschmutzung • Glasrisse oder innere Mikrorisse, Abtrennungen von Zellenoberflächen (Brüche) • PID-Schäden (spannungsinduzierte Degradation)

Bei der Überprüfung von Solarzellensystemen gelten die für die Bewertung elektrischer Anlagen verwendeten Bewertungsvorlagen und Grenzwerte für Verbindungen, Verkabelungen, Verteiler/Sammler, Regler und Konverter. Diese sind jedoch nicht auf Zellen und Module anwendbar: Der größte Unterschied zu anderen Outdoor-Thermografieanwendungen besteht darin, dass intensive Sonneneinstrahlung erforderlich ist. Dies steht im krassen Gegensatz zu dem, was bei nahezu allen anderen Thermografieanwendungen betont wird, nämlich dass Thermografie-Messungen bei Sonnenschein und insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung vermieden werden sollten. (Dies geschieht aufgrund der Reflexion der Sonne und der Erwärmung des Objekts.) Bei der Untersuchung von Solarzellensystemen ist jedoch gerade die Sonneneinstrahlung erforderlich, um Temperaturunterschiede aufgrund von Fehlfunktionen sichtbar zu machen. Aufgrund dessen gestaltet sich die Suche nach dem richtigen Beobachtungswinkel bei der Erfassung von Solarmodulen recht schwierig. Denn die Glasreflexion kann bis zu 25 % betragen, sodass Sonneneinstrahlung, Himmel und sogar die Wärmestrahlung des Messenden erhebliche Störquellen darstellen, die vom Betrachtungswinkel abhängen. Während der Messung sollten die zu messenden Solarzellen nicht dauerhaft beschattet werden, was bei Ständer- oder Hublösungen zu ernsthaften Problemen führen kann. Um Unsicherheiten bei der Messung und die Aufzeichnung von teilweise interpretierbaren Wärmebildern zu vermeiden, muss der Beobachtungswinkel daher sehr genau gewählt werden. Wie auf der folgenden Abbildung zu sehen ist, muss auch die während der Messung auftretende Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden, die je nach Jahreszeit und Tageszeit in Höhe und seitlicher Richtung variiert.

Unter Berücksichtigung all dessen kann ermittelt werden, welche Solarmodule je nach Höhenpositionierung der Wärmebildkamera gerade beobachtet werden können. Es ist leicht verständlich, dass es in einer Höhe von 1,5 ... 1,7 m mit einer Handkamera kaum möglich ist, die oberen Module großer Modultabellen korrekt zu beobachten. In der gezeigten Position ist die Beobachtung des oberen Moduls auf diese Weise bereits unmöglich. Es ist daher nicht verwunderlich, dass verschiedene Methoden (selbstfahrende Arbeitsbühnen, riesige Teleskopstangen) zur Erhöhung der Höhenposition der Wärmebildkamera, einschließlich des Einsatzes von Drohnen für die Inspektion von Photovoltaikfeldern, weit verbreitet sind. Ein weiteres nicht zu unterschätzendes Problem hängt mit der geometrischen Auflösung des Thermografie-Messgeräts zusammen. Aufgrund der Bedeutung dieses Themas halte ich es für notwendig, dies hier ausführlicher zu erwähnen. Denn es wird häufig von einer umfassenden thermografischen Inspektion eines gesamten Schaltschranks oder einer gesamten Modultabellenbreite mit einer Übersichtsaufnahme gesprochen, gefolgt von einer detaillierten Fehleraufnahme auf der Grundlage des Überblickswärmebilds. Dies klingt natürlich sehr effizient, was jedoch nur dann zutrifft, wenn die Anforderungen an die geometrische Auflösung bei der Übersichtsaufnahme eingehalten wurden. Bei deren Missachtung bleiben die durch kleinere Drähte und Kontakte verursachten Wärmeeffekte unbemerkt. Daher würden wahrscheinlich keine detaillierten Wärmebilder erstellt, und somit würden Fehler nicht entdeckt. Zusammenfassend: Die Erstellung von Übersichtswärmebildern, deren geometrische Auflösung nicht angemessen ist, ist schlichtweg nicht zulässig und es gibt niemals Ausnahmen davon.

Während auf dem linken „Übersichts“-Bild der lockere Kontakt mit gerade einmal 38°C Temperatur erscheint und nicht als Fehlerquelle erscheint, zeigt die rechte, detaillierte thermografische Aufnahme mit angemessener geometrischer Auflösung, dass die tatsächliche Temperatur bereits über 58°C liegt. (20°C Messfehler!) Thermografie-Beispielaufnahmen für Kontaktfehler / lockere Verbindungen

Thermografie-Beispielaufnahmen für unterdimensionierte elektrische Leitungen

Thermografiebeispiele für Transformatoren und Stromleitungen

Thermografische Inspektion großer Solaranlagen mit Drohnen Die Art der genannten Messungen, die Menge der damit verbundenen Aufnahmen sowie die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem Sichtfeld und dem Sichtwinkel machen den Einsatz der Luftthermografie besonders attraktiv. Typisch ist die thermografische Inspektion aus der Luft von Flugzeugen oder Hubschraubern im Umweltschutz, der Umweltüberwachung (zum Beispiel für Wasserwirtschaft, Landwirtschaft oder Wildtierzählungen) sowie bei großflächigen archäologischen und geologischen Untersuchungen. Immer häufiger werden auch Solaranlagen, insbesondere die Luftinspektion großer, mehrere Hektar großer Photovoltaikanlagen, durch den Einsatz von Drohnen mit zunehmend höherer Tragfähigkeit und einfacherer Anwendbarkeit, die sogar automatisiert werden können, durchgeführt. (Natürlich sind strenge Vorschriften und gesetzliche Regelungen für den Einsatz von Drohnen zu beachten, bei denen zusätzliche technische und rechtliche Risiken auftreten können.)

Mit einer Wärmebildkamera mit ausreichender Auflösung und korrekten Parametereinstellungen (Messfrequenz, Beobachtungswinkel sowie Flughöhe und -geschwindigkeit) können die in der folgenden Abbildung gezeigten qualitativ hochwertigen (erfolgreich auswertbaren) Wärmebilder erzeugt werden. Die Komplexität der Anforderungen und Parameter (und deren Wechselwirkung) ist so vielschichtig, dass eine Diskussion darüber in diesem Vortrag (bzw. Artikel) leider nicht möglich ist.

Thermografiebeispiele für Fehler in Photovoltaikanlagen

Thermografische Inspektion von Solarthermieanlagen (Flachkollektoren, Vakuumröhren)

Nicht nur bei Photovoltaikanlagen, sondern auch bei Solarthermieanlagen ist die Thermografie ein effektives Instrument zur Überwachung und Fehlererkennung. Bei ordnungsgemäßer Ausführung können Fehlerstellen lokalisiert und verschiedene, voneinander abweichende Fehlerphänomene unterschieden werden. Insbesondere die Erkennung von (unerwünschter) Überhitzung bei Vakuumröhrenkollektoren ist entscheidend für ihren effizienten Betrieb und wirtschaftliche Wartung. Allgemeine Inspektionen von Solarthermieanlagen Der größte Unterschied zu "klassischen" thermografischen Anwendungen besteht auch hier darin, dass intensive Sonneneinstrahlung während der Außenmessung erforderlich ist. Dies steht im völligen Gegensatz zu dem Hinweis, den wir bei fast allen anderen thermografischen Anwendungen geben, nämlich dass Thermografieuntersuchungen nicht bei Sonnenschein und insbesondere nicht bei direkter Sonneneinstrahlung auf das zu messende Objekt durchgeführt werden sollten. Dies geschieht aufgrund der Reflexion der Sonne und der Erwärmung des Objekts. Bei der Untersuchung von Solarthermieanlagen ist jedoch gerade die Sonneneinstrahlung erforderlich, damit die Temperaturunterschiede durch Fehlererscheinungen sichtbar werden.Thermografische Fehlerquellen • auf Rohrleitungsebene: • unzureichende, beschädigte Wärmedämmungen • Leckagen, undichte Ventile, Absperrungen usw. • auf Flachkollektoren- und Vakuumröhrenkollektorebene: • Vakuumverlust oder Wärmedämmfehler • Betriebsprobleme, falsche Dimensionierungen • Bruchschäden (Witterung, Vandalismus) Voraussetzungen für Messungen Die Sonnenstrahlung kann nur mit einem sorgfältig gewählten Beobachtungswinkel auf der Glasoberfläche ausgeglichen werden, wie wir es bereits bei den Solarzellensystemen besprochen haben. Daher ist die Höhenpositionierung der Wärmebildkamera auch bei den aktuellen Anwendungen problematisch. Es ist daher unvermeidlich, dass wir auf das Dach klettern müssen, um eine Leiter zu verwenden oder ein Arbeitsgerüst oder einen riesigen Teleskopmast einzusetzen. Bequemer ist natürlich - insbesondere bei größeren Systemen - das Abfliegen der Kollektoren mit einer Drohne. Ein weiteres nicht zu unterschätzendes Problem hängt mit der geometrischen Auflösung des Thermografie-Messgeräts zusammen. Es ist wichtig, die maximale Messdistanz sorgfältig zu wählen, um einen guten Überblick über das System zu gewährleisten, aber auch um die geometrische Auflösung sicherzustellen, die für eine korrekte Erfassung der Temperaturen der zu beobachtenden Details (z. B. Vakuumröhren) erforderlich ist. Thermografische Beispielaufnahmen von Fehlern bei Sonnenkollektoren (Vakuumröhrensystemen)

Quelle des (gekürzten) Textes und der Wärmebilder: Rahne Eric: THERMOGRAFIE - Theorie und praktische Messtechnik 656 Seiten (A4, farbig), 303 Abbildungen, 452 Bilder, 754 Wärmebilder, 50 Tabellen ISBN 978-963-87401-6-8 (gedrucktes Buch, keine elektronische Ausgabe) Weitere Informationen: www.thermalkamera.hu Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, thermalkamera.hu

Kontakt

Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (auch teilweise) Verwendung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur unter Angabe der Quelle und des Autors sowie mit vorheriger schriftlicher Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts hat rechtliche Konsequenzen.