IX. Szolár Konferencia Budapest 2019: Szolármodulok és napkollektorok üzem közbeni (termográfiai) vizsgálata

Rahne Eric, okl. villamosmérnök, a PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft. alapítója, tanúsított termográfiai szakértő (Termograph Level 3), igazságügyi szakértő

Napcellás rendszerek termográfiai állapotfelmérése

A termográfia egyik legfiatalabb, de vélhetően nagyon gyorsan növekvő jelentőségű alkalmazása feltételezhetően a napcellák gyártás közbeni minőség-ellenőrzése és a telepített modulok vagy akár teljes napcellás erőművek állapotfelmérése. Amíg például az U-I jelleggörbés ellenőrzések jól kimutatják, hogy baj van és romlik a hatásfok, a hibahelyek és hibatípusok többnyire ezen az úton nem deríthetők fel, modulokra bontva semmiképpen sem. A termográfia ezzel szemben, megfelelő kivitelezést feltételezve, lokalizálhatja a hibahelyeket és többféle, egymástól eltérő hibajelenséget is megkülönböztethet. Főleg a nagy napcella-parkok esetében ezzel lehetővé válik a hatékony üzemeltetés és gazdaságos karbantartás. Szolárrendszerek tipikus hibái, hibaokok Hibák a fotovoltaikus rendszerekben nemcsak a hatásfokukat rontó problémák, hanem felmerülhetnek üzembiztonsági kockázatot, akár tűzveszélyt okozó súlyos rendellenességek is. A hibák többféle okokra vezethetők vissza, amely a gyártástól a szállításon és telepítésen át a rossz üzemeltetési vagy meteorológiai behatásokig is terjedhetnek. Néhány hibát vizuálisan észlelhetünk, a legtöbbjük fel­ismeréséhez azonban megfelelő mérési módszerek kellenek. Ezek közül az U-I-jelleggörbe felvétele, az elektrolumineszcencia és a termográfia állapotfelmérő technológiák alkalmazása a legelterjedtebbek. A hibákat a következőképpen kategorizálhatjuk: - villamos bekötési hibák (téves polaritás, kontaktushiba, rövidzárlat) - vezérlési hibák (nem munkaponti üzemeltetés, ág- vagy modulszintű kiiktatás) - modulszintű hibák (belső kontaktushiba, beárnyékolás, rossz modul-kötődoboz, rossz elkerülő dióda) - cellaszintű hibák (törés, hajszálrepedés, egyéb öregedés, szakadás, rövidzárlat, PID) A fentiek közül a villamos hibák és a törés jellegű hibák többsége rossz szállításra és még inkább szakszerűtlen telepítésre vezethetők vissza. A beárnyékolás problémája tipikusan rossz telepítésre, rossz tervezésű elhelyezésre, vagy a természet térhódítására, túlnövekedett növényekre, illetve felületi szennyeződésére vezethető vissza. Ritkák a kizárólagosan öregedésből származtatható hibák. A tévedések elkerülése érdekében itt most nem a súlyos problémákat okozó hibákra, hanem néhány feltűnő, de jelentéktelen vizuális jelenségre szeretnénk felhívni az olvasó figyelmét. Ugyanis vannak olyan esetek, amelyek látványa laikus szemmel komoly hibát sejtett, de a valóságban nincs igazán hatása a fotovoltaikus rendszer működésére és teljesítményére.

Gyakran vizuálisan is jó felismerhető a viharos jégverés vagy kőfeldobás okozta törés. Viszont nem biztos, hogy a sérülésmentesnek tűnő többi modul ténylegesen megúszta a vihart. Az esetlegesen, szabad szemmel nem látható további hajszálrepedések csak valamelyik, a következőkben bemutatott vizsgálati eljárás alkalmazásával derülnek ki. Sajnos sok esetben azokkal is csak a mechanikai káro­sodás bekövetkezése után valamennyi idővel, amikor a behatoló nedvesség vagy a repedések tovább­terjedésével a kristály maga is repedezik és rövidzárlatok illetve cellaterület leválások keletkeznek. Szolárrendszerek bevizsgálása elektrolumineszcenciás felvételek alapján A hibák felismerésére és súlyosságának megítélésére a vizuális ellenőrzésnél sokkal pontosabb és haté­konyabb az U-I-jelleggörbe felvétele, valamint az elektrolumineszcencia és a termográfia alapú bevizs­gálás. Amíg az U-I-jelleggörbe értékelése csak áganként, tehát több modul együttesére vonatkozóan tud a rendszer állapotáról és aktuális képességéről információt szolgálni, a másik két eljárás modulonként ill. cellánként is képes a hibahely lokalizálására és a hiba jellegének és súlyosságának meghatározására. Mielőtt rátérnénk a termográfia alkalmazására, ejtsünk néhány szót az elektrolumineszcenciáról is. A vizsgálati módszer alapgondolata, hogy elektronikai szemszögből nézve a napcellák egy felületileg nagy kiterjedésű fényérzékeny diódát jelentenek. Amennyiben fénybesugárzásra áramot tudnak termelni, akkor megfordított üzemeltetéssel, áram rákapcsolásával fényt kell tudniuk kibocsátani. Azoknak a celláknak melyek ily módon, egész felületükön bocsátják ki a fényt, az energiatermeléses állapotukban is jól kell működniük. Erre alapozva történik sok gyártónál a gyártás közbeni ellenőrzés is. A napcellák által kibocsátott fény spektrális tartománya döntően a rövidhullámú infravörös tartomány. Ennek megfelelően megfigyelése rövidhullámú termográfiai rendszerekkel lehetséges, amit azonban a gyakorlatban legfeljebb a gyártás közbeni, gyártósorba beépített gyors értékelést igénylő cellaellenőrzésre szokás alkalmazni. Helyszíni, mobil alkalmazásoknál viszont nem, amiben az ilyen fotondetektoros rendszerek súlya és mérete mellett magas árfekvésük is szerepet játszik. A helyszíni elektrolumineszcenciás vizsgálatok során sokkal inkább átalakított fényképezőgépek, több­nyire tükörreflexes készülékek kerülnek alkalmazásra. Ezek CMOS-detektorra kellőképpen széles spektrális tartományú, így a beépített infraszűrő kiszerelésével és egy rövidhullámú sugárzást átenge­dőképes, nagy fényerejű objektív használatával érzékelhetővé válik a napcellák sugárzáskibocsátása. Természetesen a mérés hosszú záridőt, akár néhány percet igényel, és eredménye nem kalibrálható. Mivel a napközbeni napbesugárzás nagyságrendekkel nagyobb a napcellák által fordított üzemmódban kibocsájtott sugárzásnál, a helyszíni elektrolumineszcenciás felvételek inkább éjjel, vagy letakaró sátrak alkalmazásával akár nappal is elkészíthetők. E közben természetesen a modulokat vagy ágakat, sztringeket a rendszerből villamosan ki kell kötni és a vizsgálathoz szükséges visszatáplálással ellátni. Amennyiben sem éjjel, és sátrak alkalmazásával nappal sem szeretnénk a mérést elvégezni, mégis csak igazi hőkamera alkalmazása szükséges. A legújabb CMOS-alapú rövidhullámú hőkamerák megfelelő szűrővel kiegészítve lehetővé teszik a elektrolumineszcenciás felvételek készítését nappal is. Az elektrolumineszcenciás vizsgálattal felderíthető hibák: • mikrorepedések és törések, cellafelület-leszakadások • felület- és cellakontaktus leválása, vagy megnövekedett ellenállása • cellán belüli vagy ág ill. sztring rövidzárlata • PID-károsodás Szolárrendszerek termográfiai bevizsgálása A hőkamerás vizsgálat a hozzá szükséges hőkamera beszerzési ára, továbbá a szükséges minimális besugárzás követelménye és az egyéb mérési nehézségei miatt nem tűnik versenyképesnek az előbb bemutatott elektrolumineszcenciás bevizsgálással szemben. Mégis van létjogosultsága a termográfiának, ami részben arra vezethető vissza, hogy semmilyen átkötésre és semmilyen idegen betáplálásra nincs szüksége. Ezzel kapcsolatosan elhagyható a 18...30 kg súlyú DC-tápegység hordozása és energia­ellátásának megvalósítása is. Másrészt a termográfiával időarányosan a legnagyobb területek bevizs­gálására van lehetősége, így első sorban a nagy rendszerek esetében elengedhetetlen technológia. Amíg például az U-I jelleggörbés ellenőrzések jól kimutatják, hogy baj van és romlik a hatásfok, a hibahelyek és hibatípusok többnyire ezen az úton nem deríthetők fel, modulokra bontva semmiképpen sem. A termográfia ezzel szemben, megfelelő kivitelezést feltételezve, lokalizálhatja a hibahelyeket és többféle, egymástól eltérő hibajelenséget is megkülönböztethet. Főleg a nagy napcella-parkok esetében ezzel lehetővé válik a hatékony üzemeltetés és gazdaságos karbantartás. Szokásos alkalmazási feltételek, mérési körülmények • üzemelő napcellás rendszer energiatermelési üzemállapotban • minimum 600 W/m2 folyamatos napbesugárzás • maximális 2/8 Cumulus felhőzet, gyenge gomolyfelhő • eső- és hómentesség, a cellákon nem lehet víz vagy hó • legfeljebb 4 Beaufort (20 ... 29 km/h) szélerősség (= mérsékelt szél) • megfelelő látószög és geometriai felbontás biztosítása • nagyobb rendszerek fényképes és GPS-koordinátás dokumentálás biztosítása Termográfiai úton megtalálható hibák

• villamos rendszerelemek szintjén: • alul méretezett, túlterhelt kábelek, összekötők • hibás, meglazult, korrodált érintkezések • sérült vagy szerelési hibás kábelsaruk, érvéghüvelyek • hibás szabályozók, konverterek

• napcellák és modulok szintjén: • hibás cellaösszekötők • felület- és cellakontaktus leválása, vagy megnövekedett ellenállása • kontaktushiba vagy működő bypass-dióda miatt melegedő modul-kötődobozok • üresjáratban lévő, terhelés nélküli, rövidzárlatos modulok vagy modulsorok • rövidzárlatos vagy polaritáshibás modulok vagy modulsorok • növényzet, épületrész vagy szennyeződés miatti beárnyékolások okozta hőhatások • üvegrepedések vagy belső mikrorepedések, cellafelület-leszakadások (letörések) • PID-károsodás (feszültség-indukált degradáció)

A napcellás rendszerek ellenőrzése esetén a villamos berendezések felméréséhez alkalmazott értékelési sablonok és határértékek a bekötésekre, kábelezésre, elosztókra/gyűjtőkre, szabályozókra és konver­terekre érvényesek. Azonban maga a napcellákra, modulokra nem érvényesíthetők ezek: a legnagyobb különbség a többi kültéri termográfiai alkalmazáshoz képest az a körülmény, hogy intenzív napsütés szükséges. Ez teljesen ellentétes azzal, hogy szinte minden más termográfiai alkalmazás során hang­súlyozzuk, napsütésben és főleg a mérendő tárgy közvetlen napbesugárzása esetén ne végezzük termográfiai méréseket. (Ezt a napsütés reflexiója, illetve a tárgy felhevülése miatt kerüljük el.) A napcellás rendszerek bevizsgálása esetében viszont pont a napbesugárzás szükséges ahhoz, hogy a hibajelenségek okozta hőmérséklet-eltérések megjelenjenek. Az előzőekből adódóan a megfelelő megfigyelési szög megtalálása a szolármodulok felmérése ese­tében eléggé nehéz. Ugyanis az üveg reflexiója akár 25%-ot is elérhet, így a napsütés, az égbolt és még a mérést végző testének hősugárzása is számottevő értékű, látószög függő zavaró sugárzásforrást alkot. Mérés közben nem szabad tartósan leárnyékolni a mérni kívánt napcellákat, ami állványos vagy emelő­kosaras megoldásoknál komoly problémát okozhat. A mérési bizonytalanság és a félreinterpretálható hőképek rögzítésének elkerülése érdekében tehát igen pontosan kell a megfigyelési szöget meg­választanunk. Ehhez, ahogy a következő ábrán látszik a mérés közben előforduló napsütésre is tekintettel kell lennünk, ami az évszak és az napi óraidő függvényében magasságban és oldalirányban is változik.

Mindezt figyelembe véve felmérhető, hogy a hőkamera magassági pozicionálása függvényében mely szolármodulok figyelhetők meg éppen. Könnyen érthető, hogy 1,5 ... 1,7 m magasságban kézben tartott kamerával alig van esélyünk több modulból álló nagy modulasztalok felső moduljainak korrekt meg­figyelésére. Az ábrán látható helyzetben a felső modul megfigyelése ily módon már lehetetlen. Nem csoda tehát, hogy a hőkamera magassági pozíciójának növelése érdekében a legkülönbözőbb módszerek (ön­járó munkaállvány, óriási teleszkóprúd) terjedtek el, beleértve a fotovoltaikus mezők drónos lerepülését is. Egy alá nem becsülendő további probléma pedig a termográfiai mérőeszköz geometriai felbontásával függ össze. Eme téma fontossága miatt szükségesnek vélem, hogy ezt itt bővebben is megemlítsük. Ugyanis lépten-nyomon hallani az egész kapcsolószekrény vagy egy egész modulasztal-szélesség egy felvétellel történő áttekintő termográfiai felméréséről, majd az ezt követő - az áttekintő hőkép alapján észlelt szükség esetén elvégzésre kerülő - részletező hibahely-felvételről. Ez természetesen nagyon hatékony munkavégzésnek hangzik, ami viszont csak akkor igaz, ha az áttekintő felvétel készítése közben betartottuk a geometriai felbontás követelményét. Ennek megsértése esetében ugyanis észrevétlenek maradnak a kisebb vezetékek és kontaktusok problémáira utaló hőhatások. Így vélhetően részletező hőképet nem is készítenénk, vagyis pont a hibák nem kerülnének felderítésére. Összefoglalva: az olyan áttekintő termográfiai felvételek készítése, melyeknek geometriai felbontása nem megfelelő, egész egyszerűen nem megengedett és ez alól soha nincs kivétel.

Amíg a baloldali „áttekintő” felvételen a laza érint­kező éppen hogy 38°C hőmérséklettel jelentkezik, és hibahelyként nem tűnik föl, addig a jobboldali, megfelelő geometriai felbontású termográfiai részletfelvétel alapján kiderül, hogy a valódi hőmérséklete már 58°C fölötti. (20°C mérési hiba!) Termográfiai példafelvételek kontaktushibákra / laza kötésekre

Termográfiai példafelvételek alulméretezett villamos vezetékekre

Termográfiai példafelvételek transzformátorokra és villamos távvezetékekre

Nagy kiterjedésű szolárrendszerek termográfiai felmérése drónokkal A bevezetésben felsorolt mérések jellege, a velük kapcsolatos felvételek mennyisége, valamint a látómezővel és látószöggel kapcsolatos nehézségek kifejezetten a légi termográfia alkalmazására késztetnek. Tipikusnak mondható a repülőgépről vagy helikopterről történő termográfiai felmérés a környezetvédelemben, környezetfigyelésben (akár vízgazdálkodás, növénytermesztés vagy vadszámlálás szempontjából), a nagy területű régészeti és geológiai kutatásokban. Egyre inkább elterjedt a szolárrendszerek, első sorban a nagy kiterjedésű, több hektáros fotovoltaikus erőművek légi felmérése is, amihez az egyre nagyobb teherbírású és könnyebben alkalmazható, akár automatizálható küldetésű drónok megjelenése ad lehetőséget. (Természetesen eközben ne felejtsük el, hogy a drónok alkalmazására szigorú előírások, törvényi szabályozások vonatkoznak, amelyeken felül további műszaki és jogi kockázat is felmerülhet.)

Megfelelő felbontású hőkamera és korrekt paraméterbeállítással (mérési gyakoriság, megfigyelési látószög, valamint repülési magasság és sebesség) a következő ábrán bemutatott minőségű (eredményesen kiértékelhető) hőképek nyerhetők. A követelmények és paraméterek összetettsége (és egymásra való hatása) olyan sokrétegű, hogy ennek megtárgyalása jelen előadás (ill. cikk) keretében sajnos nem lehetséges.

Termográfiai példafelvételek fotovoltaikus rendszerek hibáira

Szolártermikus rendszerek (síkkollektorok, vákuumcsövek) termográfiai felmérése

Természetesen nemcsak a fotovoltaikus rendszerek, hanem a szolártermikus rendszerek esetén is hatékony ellenőrző és hibafeltáró eszköz a termográfia. Megfelelő kivitelezést feltételezve, lokalizálhatja a hibahelyeket és többféle, egymástól eltérő hibajelenséget is megkülönböztethet. Főleg a vákuumcsöves kollektorok esetén fellépő (meg nem engedett) melegedések észlelése a kulcs azok hatékony üzemel­tetésének és gazdaságos karbantartásának. Szolártermikus rendszerek felméréseiről általánosan A legnagyobb különbség a "klasszikus" termográfiai alkalmazásokhoz képest itt is az a körülmény, hogy intenzív napsütés szükséges a kültéri mérés során. Ez teljesen ellentétes azzal, hogy szinte minden más termográfiai alkalmazás során hangsúlyozzuk, napsütésben és főleg a mérendő tárgy közvetlen napbesugárzása esetén ne végezzük termográfiai méréseket. Ezt a napsütés reflexiója, illetve a tárgy felhevülése miatt kerüljük el. A szolártermikus rendszerek bevizsgálása esetében viszont pont a napbesugárzás szükséges ahhoz, hogy a hibajelenségek okozta hőmérséklet-eltérések megjelenjenek. Termográfiai úton megtalálható hibák • csővezetékek szintjén: • nem megfelelő, sérült hőszigetelések • szivárgások, rosszul záró szelepek, elzárók stb. • síkkollektorok, vákuumcsöves kollektorok szintjén: • vákuumvesztés ill. hőszigetelési hibák • üzemetetési problémák, rossz méretezések • töréskárok (időjárás, vandalizmus) Felmérésekhez szükséges feltételek A napsugárzás üvegfelületi tükröződése csak gondosan megválasztott megfigyelési szöggel ellen­súlyozható, ahogy ezt a napcellás rendszerek esetén megtárgyaltuk. Ebből adódóan a jelen alkalmazások esetén is a hőkamera magassági pozicionálása problémás. Nem elkerülhető ezért, hogy a tetőre fel kell mászunk létrával, vagy munkaállványt ill. óriási teleszkóprudat alkalmazzuk. Kényelmesebb termé­szetesen - elsősorban nagyobb rendszerek esetén - azok kollektorainak drónos lerepülése. Egy alá nem becsülendő további probléma pedig a termográfiai mérőeszköz geometriai felbontásával függ össze. Gondosan kell megválasztani a maximális mérési távolságot, hogy jó áttekintést biztosítsuk a rendszerről, de a megfigyelendő részletre (pl. a vákuumcsövekre) biztosítva legyen a hőmérsékletük korrekt észleléséhez szükséges geometriai felbontás. Termográfiai példafelvételek napkollektorok (vákuumcsöves rendszerek) hibáira

A (rövidített) szöveg és a hőképek forrása: Rahne Eric: TERMOGRÁFIA - elmélet és gyakorlati méréstechnika 656 oldal (A4, színes), 303 ábra, 452 kép, 754 hőkép, 50 táblázat ISBN 978-963-87401-6-8 (nyomtatott könyv, nincs elektronikai kiadás) Bővebb tájékoztatás: www.termokamera.hu Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.