Wartung aus der Luft

Eine IR-Wärmebildkamera prüft PV-Anlagen berührungslos und hochauflösend. Die ultraleichte Ausführung TIM LightWeight lässt sich sogar auf einem Multicopter befestigen. Die Luft-Thermografie ist nicht nur technisch sicher, sondern bringt wirtschaftliche Vorteile im ganzen Lebenszyklus des PV-Moduls.

Exklusiv in KEM Der Autor: Manfred Pfadt, Produktmanager Sensorik bei der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, Ortenburg

Mit der wachsenden Verbreitung von Photovoltaik-Anlagen steigt auch die Notwendigkeit der effizienten Überprüfung ihrer Leistungsfähigkeit für eine sichere und kostengünstige Energieversorgung. Fragen nach der erfolgreichen Neuinstallation, Witterungsbeständigkeit der Module, entstandenen Schäden nach Umwettern bis zu Gewährleistungsansprüchen sollen zuverlässig beantwortet werden. Es ist bekannt, dass Zellbruch, kurzgeschlossene Zellen, überbrückter Teilstrang im Modul, lokaler Kurzschluss und fehlerhafte Lötungen erkennbare Temperaturunterschiede in der Solarzelle hervorrufen. Daher können mit einer Thermografie- basierten Wärmebildkamera elektrische und mechanische Fehler lokalisiert und installations- und verarbeitungsbedingte Defekte erfasst werden.

Thermografie-Messprinzip

Das Prinzip der Thermografie ist einfach: Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) sendet elektromagnetische Strahlung proportional zu seiner Eigentemperatur aus. Infrarotstrahlung ist ein Teil dieser Strahlung und kann zur Temperaturmessung verwendet werden. Allerdings erfasst die Wärmebildkamera die Wärmeleitung direkt auf der Glasoberfläche, d. h. die Wärmeleitung der Zelle wird nur indirekt erfasst. Die Strahlung wird mit einer Linse (Eingangsoptik der Wärmebildkamera) erfasst und auf ein Detektorelement fokussiert, welches ein der Strahlung proportionales elektrisches Signal erzeugt. Das Signal wird verstärkt, digital überarbeitet und in eine der Objekttemperatur proportionalen Ausgabegröße umgesetzt. Der Messwert kann auf einem Display angezeigt oder als analoges Signal für die Prozesssteuerung ausgegeben werden. Die Prüfung mit einer Infrarot-Kamera erfolgt berührungslos, zerstörungsfrei und aus sicherer Distanz.

Typische Modulfehler

Die typischen Fehler in einem PV-Modul sind Produktionsfehler, Beschädigungen, temporäre Abschattungen, fehlerhafte Bypass-Dioden oder Anschlüsse. Sie können die Effizienz der gesamten Solaranlage deutlich senken. Kleine Zellbrüche, Mikrorisse und Unterbrechungen der Metallisierung dagegen haben laut einer Untersuchung von ZAE Bayern keinen Einfluss auf die Modul-Leistung.

Der Einsatz der Wärmebildkameras bei der Wartung von PV-Anlagen unterliegt einigen Einschränkungen und Voraussetzungen. Ausgehend vom physikalischen Messprinzip ist die Intensität der emittierten Strahlung entscheidend für die erfolgreiche Messung. Da die Messung draußen stattfindet, müssen bestimmte Wetterbedingungen erfüllt sein: Die Strahlungsintensität der Sonne muss groß genug sein – mindestens 500 W/m². Die Wolken vermindern die Einstrahlung. Daher können bei Bewölkung nur Kameras mit einer ausreichenden Empfindlichkeit (≥ 80 mK) eingesetzt werden.

Um Reflexionen im Glas zu vermeiden, ist die richtige Positionierung der Kamera wichtig: Es ist empfehlenswert, die Wärmebildkamera in einem Betrachtungswinkel von 5 bis 60° einzusetzen und nicht rechtwinklig. Eine gut geeignete IR-Kamera ist mit einem ungekühlten Mikrobolometer-Detektor ausgestattet, der im Wellenbereich 8 bis 14 µm arbeitet. Einen maximalen thermischen Kontrast erhält man auch bei möglichst geringer Außentemperatur. Der stark reflektierende Aluminiumrahmen der Solarmodule wirft die Wärmestrahlung des Himmels zurück. Dies muss mit Software ausgeblendet werden können. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen der IR-Kamera und dem PV-Modul jederzeit innerhalb einer gewissen Bandbreite ist. Außerdem setzt die Fehleranalyse fundierte Kenntnisse der Solartechnik voraus.

IR-Kamera im Flugbetrieb

Für die vorbeugende Wartung von großen Photovoltaikfeldern, Anlagen an schwer zugänglichen Stellen und für besonders schnelle Analyse eignet sich die Thermografie mit Multicopter. Die Voraussetzung für den Einsatz einer IR-Kamera im Flugbetrieb sind zum einen geringes Gewicht, zum anderen eine autarke Steuerung und nicht zuletzt eine ausreichende Auflösung der Kamera, um qualitativ hochwertige IR Aufnahmen realisieren zu können. Speziell für die Fluganwendungen entwickelte der deutsche Sensorik-Spezialist Micro-Epsilon eine ultraleichte IR-Kamera ThermoImager TIM LightWeight mit einem Gesamtgewicht von nur 350 g.

Die Aufnahme eines IR-Videos kann unmittelbar über einen Knopf am Kameragehäuse oder per Fernsteuerung gestartet werden; die Aufnahme erfolgt auf eine MicroSD-Speicherkarte. TIM LightWeight verfügt zusätzlich über einen simultane 20-Hz-Videosignal-Generierung parallel zu 35 Hz radiometrischer Remote-Aufnahme. Somit kann sowohl eine Live-Videoübertragung (Inline-Analyse) als auch eine nachträgliche Offline-Analyse durchgeführt werden. Die Datenübertragung erfolgt über eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle. Die verwendete hochauflösende Infrarotkamera weist eine optische Auflösung von 382 x 288 Pixel mit 80 kHz auf. Die thermische Auflösung beträgt bis zu 40 mK. Das geringe Gewicht verlängert die Flugzeit um fünf bis sieben Minuten im Vergleich zu den handelsüblichen Kameras. Die speziell auf Wartungsaufgaben abgestimmte Software TIM Connect ermöglicht die Offlineanalyse der radiometrischen Videos nach dem Flug. Große Anlagen lassen sich somit schnell und effizient analysieren. Die rechtzeitige Defekterkennung optimiert die Wirtschaftlichkeit der Anlage; Betriebsausfälle und damit verbundene Kosten können wirksam vermieden werden. I

Halle 7A, Stand 138