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Thermografie in der Photovoltaik

Thermografieaufnahmen einer Photovoltaikanlage mit inhomogener Auslastung

Schadhafte Solarzellen und Substrings auf einem Generatormodul

Das Prüfen von Solarzellen via Infrarotthermografie ist seit mehr als einem Jahrzehnt Standard und gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil dieses Verfahren relativ schnell und mit einer einfachen Ausstattung durchzuführen ist. Neben Wärmebildkameras mit einer hohen thermischen Auflösung sind für eine aussagekräftige Untersuchung von PV-Anlagen geschulte Fachkräfte notwendig, die die Bilder interpretieren und Maßnahmen empfehlen können.

Um die einwandfreie Funktion einer PV-Anlage zu gewährleisten, werden Feuchte-Wärme-Prüfungen, Temperatur-wechselprüfungen, Feuchte-Frost-Prüfungen, UV-Prüfungen, Isolationsprüfungen, Kriechstromprüfungen unter Benässung und mechanische Belastungsprüfungen durchgeführt. Diese Prüfungen finden zum Teil schon in der Entwicklung und Produktion statt. Aber auch im verbauten Zustand während und nach der Montage ist eine Suche nach Anomalien möglich.
Die Empfindlichkeit und thermische Auflösung von Thermografiekameras wird durch die Detektorempfindlichkeit bzw. dem Signal-/Rauschverhältnis (die kleinste zu messende Temperaturdifferenz, NETD) begrenzt. Das NETD für Kameras mit moderner ungekühlter Mikrobolometertechnik liegt zwischen 200 mK und 20 mK.
Der Effekt des Shunt-Widerstands bzw. Nebenschlusswiderstands bei PV-Modulen ist aufgrund der thermischen Diffusion sowie der schwachen Wärmestrahlung des Mangels selbst nur schlecht sichtbar. Man empfiehlt deshalb Wärmebildkameras mit niedrigem NETD und hoher geometrischer Auflösung.

Fachkenntnis notwendig
Die korrekte Bestimmung von thermischen Auffälligkeiten basiert auf den diagnostischen Fähigkeiten des Sachverständigen sowie auf dem Qualitätsniveau und der Spezifikationen des verwendeten Messmittels.
Inzwischen gibt es Weiterbildungsmaßnahmen unterschiedlicher Schulungsträger, welche sach- und fachkundliche Grundlagen, sowie Tiefenwissen über die Planung und Funktion moderner Photovolataiken Auskunft geben. Nicht nur die zielorientierte Thermografieschulung, mit sicheren Kenntnissen über strahlungsphysikalische Zusammenhänge in der Infrarotmesstechnik, ist maßgebende Voraussetzung für eine fachkundige Bewertung, sondern auch das Wissen um die Komplexität in der Photovoltaik selbst.
Korrekte thermografische Abbildungen von Photovoltaikzellen offenbaren zum Beispiel Shunt-Effekte und Asymmetrien durch Beobachtung der Zellentemperatur unter typischen Betriebsbedingungen. Kurzschlüsse, fehlerhafte Kontaktierung und Kriechstromeffekte lassen sich durch thermische Veränderung eingrenzen und diagnostizieren. Thermografieaufnahmen machen Auffälligkeiten durch Verunreinigungen sichtbar. Isolationsfehler, Kontaktüberhitzung und Diffusionsschäden können lokalisiert, dargestellt und näher analysiert werden. Stringfehler und Auslastungsdifferenzen lassen sich unter Last detektieren.
Die unverschattete Beaufschlagung einzelner Strings sollte bei symmetrischer Auslastung wenig Auffälligkeiten zeigen, weder in der Energieausbeute noch was thermische Anomalien betreffen. Kontaktierungs- und Anschlussfehler einzelner Module sind ein häufiges Fehlerbild, welche mittels Infrarotthermografie schnell und unkompliziert festgestellt werden können.
Die Degradation von Modulen in Form des schwindenden Wirkungsgrads im Laufe der Lebensdauer ist ein normales Phänomen. Unterschiede zu neuen Modulen und verunreinigten Generatoren werden mit der Wärmebildtechnik sichtbar.

Materialbruch an Modulen
Brüche, meist am Schutzglas von Modulen, entstehen vor allem während und nach der Montage. Verspannen sich die Generatoren der Photovoltaikanlage durch unzureichend bemessene Dehnungsräume und Fixierungsfehler kann es zum Bruch kommen. Einer Havarie durch Unwetter kann durch angemessene kinetische Auslegung weitgehend vorgebeugt werden. Gegen andere Szenarien und Vandalismus ist kaum wirksamer Schutz möglich. Auch derartige Fehler, sofern diese das Eindringen von Feuchte oder einen Kurzschluss auf einzelnen Zellen zur Folge haben, bleiben einer geeigneten Thermografiekamera nicht verborgen.
Überhitzte Stellen (Hotspots) auf einem in Reihe geschalteten Modul entstehen oft aufgrund von Abschattungen. Sogenannte Bypässe verringern diese Effekte zwar, heben sie jedoch nicht gänzlich auf. Hotspots können derart überhitzen, dass etwaige Schädigungen als Materialverfärbung mit bloßem Auge sichtbar werden. Über die Wärmeleitfähigkeit des Schutzglases nach außen getragen, kann schon geringe Wärmeemission in Form der elektromagnetischen Strahlung von einer qualitativen Thermografiekamera auf der Generatoroberfläche detektiert werden.
Auf den Oberflächen von PV-Anlagen können sich je nach lokalen Verhältnissen unterschiedliche Verunreinigungen ablegen. Hierzu zählen Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Staub und organische Substanzen, Flechten, Algen und Moosen, Vogelkot, Industrieabgase und Schwebestoffe. Als Folge sind Ertragsverluste von bis zu einem Drittel der Gesamtleistung einer PV-Anlage möglich. Wenn eine Anlage nicht regelmäßig mit entsalztem demineralisiertem Wasser gereinigt wird, sind diese durch die sich ergebende Dämpfung der Eintrittsstrahlung und Temperaturerhöhung durch gesteigerte Absorptionseffekte vorprogrammiert. Die radiometrische Wärmebildtechnik ist hier ein geeignetes Instrumentarium, um derartige Insuffizienzen zu lokalisieren und teils quantitativ zu bestimmen.

www.irpod.net

Autor:

Bernd Schindel ist Geschäftsführer der EBS Automatisierte Thermographie und Systemtechnik GmbH in München.

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