Инспекция на фотоволтаични инсталации

• От моментното състояние и ефективност на слънчевите панели зависи не само производителността на цялата PV инсталация, но и нейната рентабилност в дългосрочен план
  
  
• За да се поддържат соларните модули в оптимална изправност, се прилагат различни методи за инспекция
  
  
• С еволюцията на технологиите и дигитализацията за тази цел се използват все по-модерни технически средства и решения

От моментното състояние и ефективност на слънчевите панели зависи не само производителността на цялата PV инсталация, но и нейната рентабилност в дългосрочен план. За да се поддържат соларните модули в оптимална изправност, се прилагат различни практики за инспекция и обслужване – по график, във връзка с възникнали събития, превантивно и т. н. Чрез инспектиране на фотоволтаичните системи обикновено се следи за рискове, възникване и/или развитие на различни проблеми, включително физически повреди, електрически неизправности и спадове в ефективността. Причина за тях могат да са пукнатини, драскотини, счупвания. замърсявания, обезцветяване, деградация, хлабаво окабеляване, прегряване или засенчване и др.

С еволюцията на технологиите и дигитализацията за инспекция на фотоволтаичните инсталации се използват все по-модерни технически средства и решения, като дронове, роботи, интелигентни сензори, изкуствен интелект, платформи за периферна обработка на данни т. н.

Технологичен напредък

Ръстът при фотоволтаичните централи в глобален план – както по отношение на броя, така и на капацитета и мащаба им, налага въвеждането на нови, по-ефективни техники за инспекция. Ранното откриване на настъпили или предстоящи проблеми помага за ограничаване на загубите на енергия, щетите и разходите по скъпи ремонти. Локализирането, детекцията и диагностиката на повреди и проблеми от всякакъв характер, засягащи различни компоненти на PV инсталацията, остава сериозно предизвикателство, особено при големите наземни или по-трудно достъпните покривни соларни паркове. Конвенционалното обхождане на масивите от техник с аналогови уреди в ръка постепенно отстъпва място на стратегии и технологии за максимално автоматизиране на процеса, което освен икономия на ценно време и средства за физическо транспортиране на екипите до обекта осигурява и редица други ползи – по-голяма честота, точност и обхват на инспекциите, възможност за изцяло дистанционен и дори непрекъснат мониторинг в реално време и много по-голям обем и релевантност на снетите данни.

Традиционните методи за инспектиране на соларни панели най-общо се делят на два типа – визуални (базирани на камери) и невизуални (чрез други измервателни уреди и технически системи), включително измервания на ток и напрежение, инфрачервена термография, т. нар. луминесцентно изобразяване (luminescence imaging) и т. н.

По своя работен принцип и начин на осъществяване популярните технологии биват още контактни и безконтактни, като голяма група техники спада към категорията на безразрушителните методи, предпочитани в редица съвременни приложения.

Инспекцията на PV инсталации чрез измерване на тока и напрежението например може да открие мащабни електрически повреди, но трудно би могла да осигури информация за точното местоположение на проблема, което на практика е задължително условие за ефективна поддръжка, особено при по-големи масиви. Сегментът на визуалната инспекция от друга страна активно се възползва от иновациите в заснемането и обработката на изображения, изкуствения интелект и машинното самообучение, както и при безпилотните летателни апарати и роботите.

Визуална инспекция

Конструкцията на PV модулите типично включва стъклени покрития с голям коефициент на отразяване и дебелина около 3 mm, разположени върху соларните клетки. Това позволява използването на различни типове 2D системи за безконтактен мониторинг. Камерите за видима светлина типично се използват за детекция на визуално забележими дефекти във фотоволтаичните панели, като пукнатини, драскотини и счупвания, птичи изпражнения или пък т. нар. разслояване, което може значително да влоши ефективността.

Визуалната инспекция е сравнително прост, бърз и високоефективен метод за откриване на широк кръг от различни типове проблеми при соларните модули. Освен изброените по-горе неизправности, подходящи за детекция чрез базираните на камери за видима светлина методи са още изгорели соларни клетки, пожълтяване на капсулиращия слой, образуване на мехури в субстрата, окисляване, корозия, външни повреди в разклонителните кутии и др. Международно стандартизираните методи за визуална инспекция са описани в IEC 61215 и IEC 61646.

Въпреки че е изключително ефективна, визуалната инспекция има и някои недостатъци и ограничения. Тя нерядко е твърде времеемка, точността може лесно да бъде компрометирана от човешки грешки, а голяма част от дефектите и проблемите със соларните панели не са лесно “видими” за камерите.

Инфрачервена термография

Друг метод за инспектиране на фотоволтаични панели е термографията, при която се използват системи (преносими или фиксирани) за заснемане на изображения в инфрачервения спектър. Най-широко разпространени са т. нар. пасивни термографски обследвания, при които се измерва температурата в отделните зони на даден панел по време на работа – под въздействието на слънчева светлина. Методът е безконтактен и лесен за прилагане, което го прави най-популярната техника за инспекция в сектора към момента. Чрез термография могат да бъдат открити повредени/несвързани клетки, засенчени зони, непроводими спойки, дефектни байпасни диоди или процес на деградация в развитие. Огромен потенциал в полза на метода носи възможността да бъде осъществяван автоматизирано – посредством дронове или роботи, което значително ускорява темповете на събиране на данни. Средната скорост на инспектиране чрез наземни средства е от порядъка на 0,25 мегавата мощности на час (MW/h), докато с безпилотна летателна система могат да бъдат достигнати 0,5 MW/h.

Недостатък на метода е, че изисква силно слънцегреене (обикновено над 600 – 700 W/mІ), за да бъде ефективно измерването или повредите да генерират неравномерно разпределение на топлината, което е доловимо от термокамерите.
Алтернатива на пасивната е активната (например импулсна) термография, която изисква външен топлоизточник, за да се индуцират “видими” за инфрачервената камера разлики в температурата, но тя се провежда основно в контролирани тестови условия или в лабораторна среда.

Измерване на ток и напрежение

Най-популярни сред по-конвенционалните методи за инспекция са измерванията на ток и напрежение посредством различни типове уреди и сензори, обикновено свързани в двойки – за паралелно отчитане на двата параметъра. За целта могат да бъдат използвани и радиочестотни датчици. Данните от тези устройства типично се събират в непрекъснат режим и/или в реално време, съхраняват се и се обработват в интернет базирана софтуерна платформа, способна да регистрира стойностите на напрежението при отворена верига, токове на късо съединение, максимална изходна мощност и други важни характеристики. Системите за инспекция чрез отчитане на стойностите на тока/напрежението могат да се интегрират поотделно или като елемент на цялостни SCADA платформи за мониторинг на соларни централи.

Те правят прецизни количествени измервания на загубите на енергия, наблюдавани вследствие на различни неизправности. Чрез сравнение на моментната измервателна крива с базовата, специфицирана от производителя, операторите могат да определят с точност например степента на деградация на даден модул и допуснатите вследствие на това загуби. Тези системи обикновено не са достатъчно ефективни при детекцията на малки повреди или проблеми, които не влияят отчетливо на производителността на модула. Използването им се счита за инвазивен (антипод на безразрушителните) метод, тъй като изисква изключване на соларните панели и свързване на съответните уреди и/или сензори, като налага прекъсване на работата. Все по-често традиционните системи за инспекция чрез измерване на ток/напрежение се заместват от т. нар. онлайн тракери – електронни платки, извличащи данни за кривата на тока и напрежението без необходимост от прекъсвания на връзките и нежелани престои.

Луминесценция

Сред популярните методи за инспекция в съвременната практика е и луминесцентното изобразяване, базирано на възможностите за улавяне на електромагнитното излъчване на полупроводниковите структури, формиращи соларните клетки. Луминесценцията е ефект, който се проявява при соларните панели след възбуждането им чрез провеждане на ток с определена големина или подлагането им на действието на подходящ светлоизточник. Заснемането на този ефект може да послужи като мощен инструмент за детекция на разнообразни проблеми, включително такива, които не са от електрическо или топлинно естество – потенциално индуцирана деградация (PID), късо съединение или отворени вериги при байпасните диоди, механични повреди, предизвикани от натоварване, корозия вследствие на влага, счупвания или микропукнатини и др.

Дронове и роботи за инспекция

Мащабните наземни PV масиви, най-внушителните сред които с по над един милион панела, разположени в отдалечени локации и на огромни площи, изискват бързи и ефективни средства за инспекция с голямо покритие/обхват, достатъчна прецизност и надеждност и минимални усилия, разходи и загуби на време. Инспектирането на един соларен мегапарк единствено с помощта на технически персонал би било трудоемко, технически неефективно и крайно нерентабилно.

Ето защо през последните години непрекъснато растат приложенията на специализираните дронове за инспекция на соларни централи, които комбинират безпилотни платформи за отдалечено наблюдение със специализирано оборудване. На пазара се предлагат разнообразни класове дрон системи, подходящи за различни сценарии и отличаващи се помежду си по размер, тегло, дизайн, материали за изработка, пробег и полезен товар, ниво на автономност, възможности за надграждане и т. н. Най-популярни са т. нар мултикоптери (три-, квадри, хекса- и октокоптери – според броя на моторите) с термокамери, които са лесни за използване, надеждни и сравнително стабилни във въздуха.

Безпилотните апарати, конфигурирани за въздушна инспекция на соларни паркове, стават все по-достъпни, надеждни и функционални, макар да имат и своите съществени недостатъци – “виждат” панелите само отгоре, понякога трудно задържат устойчива позиция във въздуха, когато са необходими изображения с дълга или многократна експозиция, характеризират се с ограничен пробег и товароносимост, сравнително лесно могат да бъдат преобърнати и отнесени от по-силни пориви на вятъра, необходими са специални разрешителни (или липсата на забрани) за използването им, допускат изкривяване на изображенията вследствие на отражения и т. н.

Роботите – колесни, верижни или с крака, елиминират голяма част от тези предизвикателства чрез наземна инспекция на соларните централи. Те са отличен избор за термографски обследвания на мащабни фотоволтаични паркове върху големи по площ терени, особено за превенция на рискове, свързани с прегряване, искрене или късо съединение. Роботизираните системи са оптимален вариант не само за проверка на техническото състояние на панелите (за детекция на деградация, механични повреди, пукнатини, замърсяване, корозия, висока растителност и др.), но и за инспектиране на критичните компоненти на PV инсталациите, податливи на пожар, като кабели, конектори, комбинаторни кутии, инвертори, превключватели и прекъсвачи. Разнообразните по дизайн, начин на придвижване и товароносимост платформи са подходящи за среди и терени с различен релеф, наклон и повърхност, както и за оборудване с различни функционални системи. С помощта на усъвършенствани технологии за навигация и машинно зрение и алгоритми за изкуствен интелект роботите постепенно ще стават все по-популярен и незаменим елемент от инспекцията на соларни централи.