Wärmebildkameras - ein schnelles und zuverlässiges Werkzeug für die Überprüfung von Solarmodulen.

 
Qualitätssicherung ist bei Solarmodulen von größter Wichtigkeit. Der störungsfreie Betrieb der Module ist Grundvoraussetzung für effiziente Stromerzeugung, lange Betriebsdauer und schnelle Amortisierung der Investition. Um diesen einwandfreien Betrieb sicherzustellen, bedarf es einer schnellen, einfachen und zuverlässigen Methode zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit eines Solarmoduls, sowohl während der Fertigung als auch nach seiner Montage.

 

Zu diesen Zwecken mit einer Wärmebildkamera zu arbeiten bringt gleich mehrere Vorteile. Anomalien lassen sich auf einem Wärmebild klar erkennen und - im Gegensatz zu anderen Verfahren - können Wärmebildkameras zur Untersuchung montierter Solarmodule verwendet werden, auch während diese in Betrieb sind. Außerdem genügt bei Infrarotkameras eine kurze Zeitspanne, um große Bereiche zu erfassen.
 

In Forschung und Entwicklung (F&E) sind Wärmebildkameras bereits ein gängiges Werkzeug zur Überprüfung von Solarzellen und -modulen. Für diese technisch anspruchsvollen Messungen kommen zumeist hochleistungsfähige Kameras mit gekühlten Detektoren unter kontrollierten Laborbedingungen zum Einsatz.


Trotzdem beschränkt sich die Verwendung von Wärmebildkameras für die Untersuchung von Solarmodulen nicht allein auf die Forschung. Ungekühlte Wärmebildkameras unterstützen immer öfter die Qualitätskontrolle von Solarmodulen vor der Montage und die regelmäßigen Kontrollen im Rahmen der vorbeugenden Wartung nach deren Montage. Da diese preiswerten Kameras nicht viel wiegen und sich einfach handhaben lassen, sind sie vor Ort sehr flexibel einsetzbar.

 

Thermogram  
Thermogram_02  

Thermogramm mit Level und Span im Automatikmodus (links) und im manuellen Modus (rechts).

 

Mit einer Wärmebildkamera können potentielle Probleme entdeckt und behoben werden, bevor es zu Störungen oder gar Ausfällen kommt. Aber nicht jede Wärmebildkamera eignet sich für die Kontrolle von Solarzellen; im übrigen müssen einige Regeln und Richtlinien beachtet werden, damit die Untersuchung erfolgreich ist und keine falschen Schlüsse gezogen werden. Die Beispiele in diesem Artikel beruhen auf PV-Modulen mit kristallinen Solarzellen; aber die Regeln und Richtlinien gelten genauso für die thermografische Untersuchung von Dünnschichtzellen, da beiden dieselben Prinzipien zugrunde liegen.


Verfahren zur Untersuchung von Solarmodulen mit Wärmebildkameras

Während des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses werden die Solarzellen entweder elektrisch oder mithilfe von gepulstem Licht (Flasher) getriggert. Dies sorgt für einen ausreichenden thermischen Kontrast, um genaue thermografische Messungen zu erhalten. Dieses Verfahren kann nicht angewendet werden, wenn sich die zu untersuchenden PV-Module bereits vor Ort befinden, oder aber der Bediener muss dafür sorgen, dass die Strahlungsintensität der Sonne groß genug ist.


Um bei einer Inspektion von Solarzellen vor Ort über einen ausreichenden thermischen Kontrast zu verfügen, ist eine Sonneneinstrahlung von 500 W/m2 und mehr erforderlich. Ein optimales Ergebnis lässt sich bei einer Strahlungsintensität von 700 W/m2 erzielen. Die Sonneneinstrahlung beschreibt die momentane Energieeinwirkung auf eine Fläche in der Einheit kW/m2 und lässt sich entweder mit einem Pyranometer (für globale Sonneneinstrahlung) oder einem Pyrheliometer (für direkte Sonneneinstrahlung) messen. Dabei üben Standort und lokale Wetterbedingungen einen großen Einfluss aus. Niedrige Außentemperaturen können ebenfalls den thermischen Kontrast erhöhen.

 

Welche Kamera ist die richtige für Sie?

Portable Wärmebildkameras für Inspektionen im Rahmen der vorbeugenden Instandhaltung sind normalerweise mit einem ungekühlten Mikrobolometer-Detektor ausgestattet, der im Wellenbereich 8–14 μm arbeitet. Aber Glas ist in diesem Spektralbereich nicht durchsichtig. Wenn PV-Module von vorne untersucht werden, erfasst eine Wärmebildkamera zwar die Wärmeverteilung direkt auf der Glasoberfläche, aber nur indirekt die Wärmeverteilung in den darunter liegenden Zellen. Darum können die Temperaturunterschiede, die für die Glasoberfläche des Solarmoduls gemessen und angezeigt werden, klein sein. Um diese Unterschiede sichtbar machen zu können, benötigen die für solche Inspektionen eingesetzten Wärmebildkameras eine thermische Empfindlichkeit von ≤ 0,08 K. Für eine deutliche Anzeige geringer Temperaturunterschiede auf dem Wärmebild sollte mit der Kamera daher eine manuelle Justierung von Level und Span möglich sein.


Im allgemeinen werden PV-Module auf stark reflektierende Aluminiumrahmen montiert, die auf dem Wärmebild als kalte Zonen erscheinen, da sie die Wärmestrahlung des Himmels zurückwerfen. Für die Praxis heißt das, dass die Wärmebildkamera die Rahmentemperatur mit eindeutig unter 0 °C aufzeichnen wird. Da sich aber ihr Histogramm-Ausgleich automatisch an die höchsten und niedrigsten gemessenen Temperaturen anpasst, werden viele geringe thermische Anomalien nicht sofort sichtbar sein. Für einen hohen thermischen Kontrast des Wärmebilds müssen Level und Span darum ständig von Hand nachkorrigiert werden.

 

Without_DDE  
With_DDE  

Wärmebild ohne DDE (links) und mit DDE (rechts).

 

Die sogenannte DDE-Funktion (Digital Detail Enhancement) liefert hier die Lösung des Problems. DDE optimiert automatisch den Bildkontrast in Szenen mit hohem Dynamikbereich, so dass das Wärmebild nicht länger von Hand justiert zu werden braucht. Eine Wärmebildkamera mit DDE ist darum ideal für schnelle und exakte Überprüfungen von PV-Modulen.


Nützliche Funktionen

Eine weitere nützliche Funktion für eine Wärmebildkamera ist die Referenzierung von Wärmebildern mit GPS-Daten. Damit lassen sich fehlerhafte Module problemlos in großen Bereichen wie z. B. Solaranlagen lokalisieren und auch die Wärmebilder, etwa in Berichten, den Modulen zuordnen.


Die Wärmebildkamera sollte mit einer integrierten Digitalkamera ausgestattet sein, damit das zugeordnete Tageslichtbild (Digitalfoto) zusammen mit dem entsprechenden Wärmebild gespeichert werden kann. Auch ein sogenannter Fusion-Modus, bei dem das Wärmebild das Digitalbild überlagert, ist sinnvoll. Gesprochene und schriftliche Kommentare, die zusammen mit dem Wärmebild in der Kamera gespeichert werden können, vereinfachen die anschließende Berichterstellung.


Positionieren der Kamera: Reflexionen und Emissionsgrad berücksichtigen

Obwohl Glas einen Emissionsgrad von 0,85–0,90 im Wellenbereich von 8–14 μm hat, sind thermische Messungen auf Glasoberflächen nicht einfach auszuführen. Die Reflexionen von Glas sind spiegelnd, d. h. umgebende Objekte mit davon abweichenden Temperaturen sind deutlich im Wärmebild zu erkennen. Schlimmstenfalls führt dies zu Fehlinterpretationen (vermeintliche 'heiße Stellen') und Messfehlern.

 

Thermal_Anomalies

Dieses Wärmebild zeigt große Bereiche mit
erhöhten Temperaturen. Ohne zusätzliche
Informationen ist nicht ersichtlich, ob es sich dabei um thermische Anomalien oder
Abschattung/Reflexionen handelt.

Angle_False_Conclusions

Um falsche Schlussfolgerungen zu vermeiden, muss die Wärmebildkamera bei der Überprüfung von Sonnenkollektoren im richtigen Winkel gehalten werden.

Thermal_image

Mit einer FLIR P660 aufgenommenes Wärmebild während eines Fluges über eine Solaranlage.
(Thermogramm mit freundlicher Genehmigung
von Evi Müllers, IMM)


Um Reflexionen der Wärmebildkamera und des Bedieners im Glas zu vermeiden, sollte die Kamera nicht rechtwinklig zu dem zu untersuchenden Modul angeordnet werden. Der Emissionsgrad ist jedoch bei rechtwinkliger Anordnung am größten und nimmt mit zunehmendem Winkel ab. Ein Betrachtungswinkel von 5 bis 60° ist ein guter Kompromiss (0° ist dabei rechtwinklig).

 

Angle

Empfohlener (grün) bzw. ungünstiger (rot) Betrachtungswinkel bei thermografischen
Untersuchungen.

Emissivity_German

Abhängigkeit des Emissionsgrads von Glas vom Einfallswinkel


Beobachtungen aus größeren Entfernungen

Es ist nicht immer einfach, beim Aufbau einer Messung einen geeigneten Betrachtungswinkel zu erreichen. Für viele Fälle ist die Verwendung eines Stativs eine Lösung. In schwierigeren Situationen kann es erforderlich sein, mobile Arbeitsplattformen zu verwenden oder sogar mit einem Hubschrauber über die Solarmodule zu fliegen. In diesen Fällen stellt die größere Entfernung eine Chance dar, da sich ein größerer Bereich auf einmal betrachten lässt. Damit eine entsprechende Qualität des Wärmebilds erreicht wird, sollte bei diesen großen Entfernungen eine Wärmebildkamera mit einer Auflösung von mindestens 320 × 240 Pixeln, besser noch mit 640 × 480 Pixeln verwendet werden.


Die Kamera sollte außerdem eine Wechseloptik besitzen, so dass der Bediener bei Fernaufnahmen, zum Beispiel vom Hubschrauber aus, mit einem Teleobjektiv arbeiten kann. Generell ist zu empfehlen, dass Teleobjektive nur zusammen mit Wärmebildkameras mit einer hohen Bildauflösung benutzt werden. Wärmebildkameras mit niedriger Bildauflösung sind nicht in der Lage, die geringen Temperaturunterschiede darzustellen, die mit einem Teleobjektiv aus großen Entfernungen erfasst werden und Defekte bei einem Solarmodul anzeigen.

 

Blick aus einer anderen Perspektive

Meistens lassen sich montierte PV-Module auch von ihrer Rückseite aus mit einer Wärmebildkamera untersuchen. Dadurch werden störende Reflexionen durch Sonne oder Wolken reduziert. Außerdem können die über die Rückseite erfassten Temperaturen höher sein, da die Zelle direkt gemessen wird und nicht durch die Glasoberfläche.

 

Umgebungs- und Messbedingungen

Für die Durchführung einer thermografischen Untersuchung sollte der Himmel wolkenlos sein, da Wolken die Sonneneinstrahlung verringern und zusätzlich störende Reflexionen produzieren. Dennoch lassen sich aussagekräftige Bilder auch bei Bewölkung erzielen, unter der Voraussetzung, dass die verwendete Wärmebildkamera empfindlich genug ist. Ebenso ist Windstille wünschenswert, da jeder Luftstrom auf der Oberfläche des Solarmoduls zu einer Abkühlung durch Konvektion führt, und das wiederum verringert das Temperaturgefälle. Je niedriger die Lufttemperatur, desto höher der mögliche thermische Kontrast. Thermografische Untersuchungen am frühen Morgen durchzuführen ist daher eine Möglichkeit.

 

Back_Solar_Module_Thermal  
Back_Solar_Module  

Mit einer FLIR P660 aufgenommenes Wärmebild von der Rückseite eines Solarmoduls. Das entsprechende Tageslichtbild ist rechts zu sehen.

 

Eine andere Möglichkeit, den thermischen Kontrast zu erhöhen, besteht darin, die Solarzellen von der Last zu trennen und damit den Stromfluss zu verhindern, so dass es zu einer Erwärmung allein durch Sonneneinstrahlung kommt. Dann wird die Last wieder angeschlossen, und die Zellen werden während der Erwärmungsphase beobachtet.


Unter normalen Umständen sollte das System jedoch bei den standardmäßigen Betriebsbedingungen, sprich im Lastbetrieb, untersucht werden. Je nach Solarzellentyp und Störung können Messungen im Leerlauf oder Kurzschluss zusätzliche Informationen liefern.

 

Messfehler

Messfehler entstehen in erster Linie durch eine ungünstige Aufstellung der Kamera und nicht optimale Umgebungs- und Messbedingungen. Typische Messfehler entstehen durch:

  • zu flachen Betrachtungswinkel
  • fluktuierende Sonneneinstrahlung während der Aufnahme (beispielsweise durch wechselnde Bewölkung)
  • Reflexionen (beispielsweise Sonne, Wolken, höhere Gebäude in der Umgebung, Aufbau der Messung)
  • Teilabschattung (beispielsweise durch umgebende Gebäude oder andere Einrichtungen).
Error_Type_German

Tabelle 1: Liste mit typischen Modulfehlern (Quelle: ZAE Bayern e.V, “Überprüfung der Qualität von Photovoltaik Modulen mittels Infrarot-Aufnahmen”, 2007)

 

Was sieht man auf dem Wärmebild?

Wenn Teile des Solarmoduls heißer sind als andere, werden die warmen Bereiche deutlich im Wärmebild dargestellt. Je nach Form und Position können diese heißen Stellen und Bereiche Anzeichen für mehrere unterschiedliche Störungen sein. Wenn ein ganzes Modul wärmer als üblich ist, könnten Anschlussprobleme vorliegen. Wenn einzelne Zellen oder Zellstränge als heiße Stelle oder ein wärmeres 'Patchwork-Muster' dargestellt werden, liegt die Ursache normalerweise entweder in defekten Bypass-Dioden, internen Kurzschlüssen oder einer Fehlanpassung der Zellen.


Abschattung und Risse in Zellen erscheinen als heiße Stellen oder polygonale Flecken im Wärmebild. Der Temperaturanstieg einer Zelle oder von Teilen einer Zelle ist ein Zeichen für eine defekte Zelle oder Abschattung. Wärmebilder, die unter Last-, Leerlauf- und Kurzschlussbedingungen aufgenommen wurden, sollten miteinander verglichen werden. Auch ein Vergleich von Wärmebildern der Vorder- und Rückseite des Moduls kann wertvolle Informationen liefern. Für die korrekte Identifizierung des Defekts müssen Module, bei denen Anomalien festgestellt wurden, natürlich auch elektrisch und visuell geprüft werden.

 

Patchwork_Pattern

Dieses Wärmebild zeigt ein Beispiel für ein sogenanntes
"Patchwork-Muster", das bei einer fehlerhaften Bypass- Diode der Solarzelle erscheint.

Red_Spots

Diese roten Stellen zeigen Module an, die ständig
wärmer sind als der Rest, und liefern somit einen
Hinweis auf fehlerhafte Anschlüsse.

Damage_Cell

Diese heiße Stelle in einer Solarzelle weist auf eine
physikalische Beschädigung im Zellinnern hin.


Fazit

Durch eine thermografische Inspektion von Photovoltaiksystemen lassen sich potentielle Defekte auf Zell- und Modulebene sowie mögliche elektrische Anschlussprobleme schnell lokalisieren. Die Inspektionen werden unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt und erfordern keine Abschaltung der Anlage.


Für die Aufnahme korrekter und aussagekräftiger Wärmebilder sollten bestimmte Bedingungen und Messverfahren eingehalten werden:

  • eine geeignete Wärmebildkamera mit dem richtigen Zubehör sollte verwendet werden;
  • ausreichende Sonneneinstrahlung ist erforderlich (mindestens 500 W/m2 – nach Möglichkeit eine Strahlungsintensität von mehr als 700 W/m2 );
  • der Betrachtungswinkel muss innerhalb der sicheren Grenzwerte liegen (zwischen 5° und 60°);

  • Abschattung und Reflexionen müssen vermieden werden.

Wärmebildkameras werden in erster Linie zur Lokalisierung von Defekten eingesetzt. Die Klassifizierung und Bewertung der entdeckten Anomalien erfordert fundierte Kenntnisse der Solartechnik, die Kenntnis des untersuchten Systems und zusätzliche elektrische Messungen. Exakte Dokumentation ist natürlich Pflicht und sollte alle Inspektionsbedingungen, zusätzlichen Messungen und andere relevante Informationen enthalten.


Inspektionen mit einer Wärmebildkamera - angefangen bei der Qualitätskontrolle während der Installationsphase und gefolgt von regelmäßigen Überprüfungen - vereinfachen die umfassende und einfache Zustandsüberwachung des Systems. Damit lässt sich die Funktion der Solarmodule erhalten und ihre Lebensdauer verlängern. Der Einsatz von Wärmebildkameras bei der Inspektion von Solarmodulen verbessert daher deutlich die Rendite der Betreibergesellschaft.

 

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