Termografie pro efektivní údržbu fotovoltaických zařízení (II)
Přechod na obnovitelné zdroje je nezbytným krokem ke snížení závislosti na fosilních palivech a k boji proti klimatickým změnám. Obnovitelné zdroje energie, jako je například solární energie zde hrají důležitou roli. Fotovoltaická zařízení jsou stále oblíbenějším způsobem přeměny solární energie na elektřinu.
Pro maximalizaci účinnosti a výkonu fotovoltaických zařízení je nezbytné pravidelné monitorování a údržba. Nejlepší kontrolní metodou fotovoltaických zařízení je termografie, která používá termokameru k záznamu rozložení teploty u fotovoltaických článků. S touto metodou můžete včas odhalit závady a poruchy, a tím maximalizovat efektivitu zařízení.
Hledání horkého bodu
Zastíněné nebo vadné články modulu vytvářejí vnitřní elektrický odpor, který může vést k nežádoucímu zahřívání („horký bod“). Článek se přitom může tak silně zahřát, že se poškodí nejenom on sám, ale také zapouzdření (EVA) a dolní vrstva (TPT).
Bypassové diody mají tomuto efektu zabránit. Vadné nebo nereagující bypassové diody (při nepatrném zastínění) však dále vedou k nekontrolovatelným horkým bodům. Pokud nebyla zastínění (např. sloupy vysokého napětí nebo stromy) ve fázi plánování zohledněna, jsou články modulů a bypassové diody pod dlouholetým trvalým zatížením.
Horké body a jejich důsledky
- Výkon modulu klesá, protože jednotlivé články nebo celé moduly proud spotřebovávají místo aby jej vyráběly.
- Nechtěnou spotřebou proudu se zahřívají články a moduly. Vedle poškození jednotlivých článků a dalšího snižování výnosu to může vést ke konkrétnímu nebezpečí zahoření.
Rozpoznání horkých bodů pomocí termografie
Obecně se dají poruchy v provozu fotovoltaických zařízení rychle diagnostikovat termokamerou při slunečním záření od cca 600 W/m2 díky nápadným změnám v rozložení teploty. Takové změny vznikají například:
- vadnými bypassovými diodami
- špatným kontaktem a zkratem v solárním článku
- vniknutím vlhkosti, nečistotami
- prasklinami v článcích nebo skle modulu
- moduly, které běží naprázdno a nepřipojenými moduly
- tzv. nesoulady, tj. ztrátou výkonu způsobenou různou schopností výkonu jednotlivých modulů
- vadnou kabeláží a uvolněnými kontakty
- jevy stárnutí a zátěže.
Chybové snímky článků a modulů
Infračervené snímky (1) a (2) ukazují typické rozdílné chybové snímky u vadných jednotlivých článků a podřetězců. Rozvodné krabice, které jsou vidět na snímku (1), vykazují viditelné zahřátí. To nemusí nutně poukazovat na závadu. Odbočné krabice se však mohou přehřívat, takže je v případě potřeby kontrola vývoje teploty nezbytná.
Moduly běžící naprázdno
Nezřídka se stává, že moduly běží naprázdno. Příčinou mohou být špatně připojené moduly nebo prodřené nebo překousané kabely. To na sebe na infrasnímku upozorní rovnoměrně teplejším infračerveným snímkem (3) v porovnání s ostatními moduly.
Delaminace
Na základě vnějších vlivů nebo podřadné kvality modulů se může ochranná vrstva EVA uvolňovat. Vnikající vlhkost může vést ke korozi článků a tím ke ztrátě výkonu. Pomocí termokamery lze toto rozpoznat dříve, než začnou být vrstvy „mléčné“ (4).
Typické chybové snímky solárních článků a modulů
Rozbité články
Mikrotrhliny a rozbití článků může vzniknout již během přepravy a při montáži. Také vnější mechanické vlivy mohou být příčinou. Zatímco mikrotrhliny ještě nejsou kritické, rozbité články mohou působit na zhoršení výkonu.
Levý proudový měnič je výrazně teplejší.
Kabel stejnosměrného proudu bez kritického zahřátí.
Kontrola elektrických a mechanických komponentů
Vedle jednotlivých článků a modulů mohou být pomocí termografie kontrolovány také elektrické komponenty. Koroze na elektrických vodičích, konektorech nebo uvolněné kabely vedou k elektrickým přechodovým odporům, které na sebe upozorní zřetelným zvýšením teploty.
Zřetelné zahřátí na elektrických přípojkách.
Vedle modulů vyrábějících proud je tak možné zkontrolovat také elektrické komponenty:
- zkorodované kontakty a konektory
- proudové měniče
- uvolněné kontakty
- přehřáté rozvodné krabice
Přehled chybových snímků a příčin
V následujícím přehledu jsou systematicky seřazeny typické chybové snímky a jejich možné příčiny.
Infrasnímek 1
Popis: rovnoměrné zahřívání jednoho modulu v porovnání s ostatními.
Možná závada: modul běží naprázdno.
Možná příčina: modul není připojen, kabel je překousaný nebo přelomený.
Infrasnímek 2
Popis: podřetězec modulu je teplejší než zbytek modulu.
Možná závada: zkrat podřetězce modulu.
Možná příčina: vadné bypassové diody např. po bouřce.
Infrasnímek 3
Popis: „mozaikový vzor“, při kterém jsou jednotlivé články náhodně rozděleny a jsou zřetelně teplejší.
Možná závada: modul ve zkratu.
Možná příčina: špatně zapojeno nebo jsou všechny bypassové diody vadné.
Infrasnímek 4
Popis: pouze část článku je zřetelně teplejší.
Možná závada: rozbitý článek.
Možná příčina: škoda způsobená při přepravě nebo montáži nebo jiné vnější mechanické působení.
Infrasnímek 5
Popis: bodové nebo nerovnoměrné zahřívání.
Možná závada: trhlina článku nebo delaminace.
Možná příčina: výrobní závada u laminace článku, zastínění na základě např. zašpinění (ptačí trus apod.).
Infrasnímek 6
Popis: zahřátí jednoho jediného článku.
Možná závada: nemusí se nutně jednat o závadu.
Možná příčina: zastínění nebo vadný článek.
Tipy & triky při měření a vyhnutí se chybám
Meteorologické předpoklady
Kontrola by měla proběhnout pokud možno za bezoblačného, suchého dne s intenzivním slunečním zářením (cca 600 W/m2). Přímé sluneční záření přivede solární panely k plnému výkonu, vadné solární články se na infrasnímku projeví z důvodu přetížení nebo výpadku jako teplejší než zbývající články. Záření přibližně 600 W/m2 platí jako orientační hodnota. Jestliže se během měření sluneční záření změní například kvůli oblačnosti, není již infračervené snímání použitelné.
Aby se dosáhlo co možná vysokých a dobře detekovatelných teplotních gradientů, doporučuje se, provádět měření při nízké venkovní teplotě (např. ráno nebo večer). Eventuelně se musí také zohlednit chladící účinek na panely způsobený závany větru.
Odrazy mraků jsou viditelné.
Správná orientace k měření modulu.
Korektní orientace
Při termografickém měření je orientace kamery k fotovoltaickému modulu rozhodující. Vyzařovaná energie je závislá na směru, tzn. že při infračerveném měření teploty by měla být orientace kamery k povrchu modulu 60–90 °. Fotovoltaický modul by měl být pokud možno orientován kolmo ke směru záření slunce. Chyby měření závislé na úhlu vedou například k sugesci teplotních rozdílů a zkreslené reflexi. Kromě toho je třeba dbát na to, aby nebyl měřený snímek narušován odrazy, jako je například samotná kamera, technik měření, slunce nebo blízké budovy. Odražené záření je kamerou rovněž detekováno. Odrazy se dají rozpoznat změnou zorného úhlu, poněvadž se tyto pohybují spolu.
Snímání modulu zezadu.
U solárních modulů s přístupnou zadní stěnou lze provádět termografii i zezadu, jelikož lze téměř vyloučit odrazy a dosahuje se vyššího stupně emisivity. Přechod tepla je dostatečný, aby bylo možné dobře posoudit rozložení teplot na zadní straně. Zabrání se tak chybným měřením a chybným interpretacím.
Interpretace a vyhodnocení
Vyjdou-li při vyhodnocování termogramů najevo teplotní odchylky, neznamená to nutně, že musí být dotyčné moduly vadné. Nápadné termosnímky tak mohou například poukazovat na zastínění díky znečištění. Zároveň nemusí jeden jediný poškozený článek vést bezpodmínečně ke ztrátě výkonu celého panelu. Teprve výpadek celé dílčí oblasti panelu má za následek větší výkonové ztráty. Další prověřování jako je vizuální kontrola, měření výkonových křivek nebo elektroluminiscence jsou nezbytná proto, aby se lokalizovala domnělá příčina závady.
Na termogramech je třeba velmi opatrně interpretovat zobrazené absolutní teploty. Zrcadlení studeného vyzařování oblohy mohou například vést k chybné interpretaci – jasná, modrá letní obloha vyzařuje teplotou až −25 °C. Zde se doporučuje pracovat s hodnotami ΔT a zvlášť dávat pozor na extrémní rozdíly teplot v rámci jednoho panelu nebo v porovnání se sousedním panelem.
Horké body nemusí nutně nasvědčovat vadnému článku
Ne každý termický horký bod musí poukazovat na závadu v solárním článku. Může tak být vidět kvůli přechodu tepla na plochu modulu např. konstrukce nebo rozvodné krabice.
Moduly s intenzivními odchylkami nejsou v zásadě vadné, jsou případně pouze znečištěné a měly by se očistit.
Rozvodné krabice na zadní straně jsou patrné.
Překrytí snímku ukazuje znečištění ptačím trusem na nejteplejším horkém bodě.
Úroveň a rozpětí
Nastavení tak zvané úrovně a rozpětí je pro rozpoznání chyb mimořádně důležité. Termokamery rozpoznají ve svém automatickém módu nejteplejší a nejstudenější bod a přizpůsobí odstupňování barev napříč celou oblastí. To znamená, že mohou z důvodu širokého rozpětí zaniknout významné teplotní rozdíly.
Manuální nastavení.
Automatické nastavení.
Digitální měřicí přístroje: teploměry, vlhkoměry, měřiče proudění; přístroje pro zaregulování vzduchotechniky; systémy pro validaci čistých prostorů, měření turbulencí, kvality ovzduší, hlukoměry, luxmetry, analyzátory kouřových plynů; detektory, ...