Термографско обследване на PV системи

След годините на бурно развитие, когато фокусът е върху инсталирането на PV система възможно най-бързо, днес акцентът е върху регулярното тестване и поддръжка

Докато преди поотделно се измерват показателите на всеки стринг от модули, днес благодарение на термографията техниците могат да се съсредоточат само върху модулите и клетките с термични отклонения

За получаване на възможно най-големи и следователно най-лесни за откриване температурни градиенти експертите препоръчват измерванията да се извършват при ниски температури на околната среда

Фотоволтаичните системи са с важен принос към енергийния преход и устойчивото потребление на ресурси. В последните години в световен мащаб са изградени множество по-малки и по-големи PV инсталации. Тази фаза на експоненциално разрастване обуславя и повишаващата се значимост на поддръжката на вече функциониращите системи. В статията ще разгледаме как термографията може да подпомогне процесите на пускане в експлоатация и поддръжка на фотоволтаичните инсталации, като ще предоставим и ценни съвети за прилагането на метода в тази област.

Защо термография?

В годините на бум на фотоволтаичните инсталации инженерите едва смогват да отговорят на търсенето. Това означава, че поръчките не се изпълняват само от висококвалифицирани специалисти, но и от не толкова цялостно обучени подизпълнители. Последствията от това все още съществуват – от грешки при изграждането и по-ниски добиви на електроенергия до рискове за сигурността и пожарната безопасност. Тези фактори засягат предимно операторите на инсталациите. Некачественото внедряване обаче влияе и на компанията, реализирала проекта, тъй като се дава възможност за искове за обезщетение въз основа на термографски анализ.

Чрез термография може да се провери дали качеството на клетките на модулите отговаря на необходимите изисквания. Правилната комбинация от индивидуални модули позволява да се избегнат несъответствия, при които по-ефективните модули биват “възпрепятствани” от по-некачествени такива. Термографската инспекция в рамките на гаранционния период улеснява и ускорява отправянето на искове към доставчиците.

Всяка нова PV система се реализира въз основа на детайлен инвестиционен анализ и проучвания по отношение на добива. Изчисленията на добива се изготвят за период до 20 години. Тези изчисления обаче не отчитат загубите в ефективността, дължащи се на некачествена инсталация на системите. С помощта на термографско обследване може още в етапа на пускане в експлоатация да се изготви документация и да се предоставят доказателства за правилен монтаж. Това гарантира липсата на “изненади” за крайния потребител и гарантира съответствието с изискванията за качество. За да се гарантира добивът в по-дългосрочен план, е важно да се провеждат допълнително регулярни проверки, тъй като ефективността на една соларна термална система зависи от температурата. Ако модулите прегреят, т.е. консумират енергия, без да генерират такава, ефективността спада с 0,5% на Келвин. Среден температурен ръст от 10°C в сравнение със средната стандартна температура би означавал 5% по-нисък добив на електроенергия.

След годините на бурно развитие, когато фокусът е върху инсталирането на PV система възможно най-бързо, днес акцентът е върху регулярното тестване и поддръжка. Договорите за поддръжка могат да бъдат допълнителен източник на приходи за една фирма за следпродажбено обслужване. Използването на термография дава на клиента възможност да предложи качествени услуги по следпродажбено обслужване, гарантиращи стойността на фотоволтаичната инсталация в дългосрочен план.

Значимостта на пожарната защита расте. Съвременните инвертори и електрически компоненти стават все по-мощни и ефективни, което налага необходимостта да се отчетат и по-високите нива на отделяна топлина. Неправилно инсталираните или неподходящо охлажданите електрически компоненти бързо могат да се превърнат в пожарен риск особено ако монтажната конструкция е изпълнена от горим материал. Инсталираните на открито електрически компоненти се амортизират особено бързо поради износването в резултат на метеорологичните условия и УВ излъчването. Корозиралите или хлабави електрически кабели са индикатор за термични отклонения, които могат да бъдат забелязани с термовизионна камера.

Термографията е безконтактен, визуален метод на измерване. Соларни модули с огромна повърхност могат да бъдат сканирани за много кратък период от време. Термичните отклонения или температурните разлики, засягащи модулите, се виждат веднага и са първичен индикатор за възможни неизправности. Докато преди поотделно се измерваха показателите на всеки стринг от модули, днес благодарение на термографията техниците могат да се съсредоточат само върху модулите и клетките с термични отклонения.

В миналото локализирането на неизправни байпасни диоди след буря е изключително трудно. Термографията е лесен и бърз инструмент за откриване на този тип повреди. Разходите за отстраняване на неизправностите обикновено се поемат от застрахователните компании.
Фотоволтаичните системи са под напрежение през деня. В случая на съвременни модулни стрингове напреженията често са до 1000 V. Това създава съществен риск от токов удар за персонала. Термографията е много безопасен метод на инспекция, тъй като снемането на термални изображения винаги става от нужното разстояние от измервания обект. Това означава, че изискванията за безопасна дистанция се постигат лесно.

Отчитане и проблеми

Засенчените или дефектни модулни клетки генерират вътрешно електрическо съпротивление, което може да доведе до формирането на зона на нежелано загряване. Клетката може да се загрее толкова, че да нанесе щети и върху материала на корпуса и филма подложка. Функцията на байпасните диоди е да предотвратят този ефект. Неизправните или неподходящи байпасни диоди обаче продължават да водят до неконтролируеми “горещи точки”. Ако засенчването не се вземе предвид във фазата на планиране, модулните клетки и байпасните диоди са изложени на непрекъснато натоварване целогодишно.
Последствията от тези “горещи точки” са основно две: добивът на електрическа енергия намалява, тъй като отделни клетки или целият модул консумират електричество, вместо да го генерират; нежеланото енергопотребление загрява клетките и модулите, което, освен че нанася щети и води до допълнително намаление в добива на електроенергия, поставя действителен риск от пожар.

По принцип неизправностите във функционирането на PV системите при слънчева радиация от близо 600 W/mІ могат лесно да бъдат диагностицирани от измененията в термичните характеристики, отчетени от термовизионна камера. Този тип изменения възникват вследствие на: дефектни байпасни диоди; неизправни присъединявания и къси съединения в соларните клетки; проникване на влага и замърсявания; пукнатини в клетките или стъклото на модула; износване и др.

Инфрачервеното изображение показва типични неизправности за отделни дефектни клетки и подстрингове. Присъединяванията, които се виждат на изображението, видимо се загряват. Не е задължително това да е резултат от неизправност. Има възможност обаче да се стигне до прегряване на контактите, което обуславя необходимостта от следене на температурата.

Не е необичайно модулите да функционират в отворен контур. Това може да бъде следствие от неправилно свързани модули или износени или повредени кабели. На термалното изображение това е видимо като зона с по-висока температура в сравнение с останалите модули.
В резултат на външни влияния или лошо качество защитният слой на клетките може да се отдели. При проникване на влага може да се стигне до корозия на клетката и загуба на ефективност. Този проблем може да бъде засечен с помощта на термовизионна камера, преди слоевете на клетката да придобият млечно бял цвят.

Микропукнатините и пробивите в клетките могат да възникнат още в етапите на транспортиране и инсталация. Външни механични въздействия също могат да бъдат причина за това. Докато микропукнатините не са критични, то пробивите на клетките могат да доведат до влошаване на експлоатационните характеристики.
Освен отделни клетки и модули с помощта на термографията може да се обследват и електрически компоненти. Корозията върху електрическите проводници и съединители или хлабавите кабели могат да доведат до преносни съпротивления, за които индикатор е значително повишение на температурата.

Как да избегнете грешките?

Измерванията трябва да се провеждат в ясни, сухи дни, с интензивно соларно излъчване (около 600 W/m2). При пряко слънчево излъчване соларните панели работят на пълен капацитет, а повредените соларни клетки се визуализират като по-горещи зони на инфрачервеното изображение, тъй като са се претоварили или са спрели да функционират. Ако слънчевата радиация се промени по време на измерването, например поради заоблачаване, инфрачервеното изображение вече не може да бъде използвано.

За получаване на възможно най-големи и следователно най-лесни за откриване температурни градиенти експертите препоръчват измерванията да се извършват при ниски температури на околната среда (сутрин или вечер). Охлаждащият ефект в резултат от вятъра също трябва да бъде отчетен.
По време на термографското обследване от ключово значение е ориентацията на термовизионната камера спрямо фотоволтаичните модули. Излъчваната енергия зависи от посоката, т.е. при инфрачервеното температурно измерване ориентацията на термовизионната камера спрямо повърхността на модулите трябва да е под ъгъл 60 – 90°C. Фотоволтаичният модул трябва да бъде ориентиран така, че да е във възможно най-близко до перпендикулярното положение спрямо направлението на слънчевата радиация. Грешките, свързани с ъгъла между измервателния уред и измервания обект, могат да доведат например до вероятни температурни разлики и заблуждаващи отражения. Следва да се гарантира, че полученото изображение не е повлияно от отражения, например от самата камера, от техника, извършващ измерването, от слънцето или разположени в близост сгради. Отразеното излъчване също се улавя от термовизионната камера. Отраженията могат да бъдат засечени чрез изменения в ъгъла на изгледа, тъй като те също се движат.

При свободно стоящи соларни модули върху монтажни конструкции термалните изображения могат да бъдат снети и от задната страна, тъй като така на практика отраженията се елиминират и се получава по-високо ниво на излъчване. Топлопреносът е достатъчен, за да се позволи оценяване на температурното разпределение от задната страна. Това означава, че се избягват погрешните измервания и неправилните тълкувания.

Ако по време на оценка на термограмите се появят температурни отклонения, това не означава задължително, че засегнатите модули са неизправни. Например спорни термални изображения може да са показателни за частично засенчване, причинено от замърсяване. Същевременно една отделна клетка не води до загуба на ефективност за целия панел. Само повредата на цяла подсекция от панела ще причини съществено влошаване на експлоатационните характеристики. Затова е необходимо провеждането на допълнителни проверки чрез визуална инспекция, определяне на характеристична крива или други измервания, чрез които да се локализират подозираните причини за неизправностите.

Трябва да се внимава при тълкуването на показаните на термограмите абсолютни температури. Отражения от студена небесна радиация например могат да доведат до погрешни тълкувания – ясното синьо небе през лятото излъчва до минус 25°C. Затова е препоръчително да се работи със стойностите на ДT и да се обърне по-специално внимание на екстремните температурни разлики в рамките на един панел или в сравнение с друг панел в близост.
Както беше споменато “горещите точки” не са непременно индикатор за дефектна клетка. Монтажните конструкции и местата на присъединяване могат да са видими в резултат на топлопреноса към повърхността на модула. Модулите със значителни отклонения също не са задължително неизправни, те могат просто да са замърсени и да трябва да се почистят.

За идентифицирането на неизправности е изключително важна и разликата между настройките за визуализация на високи и ниски температури на термалното изображение. В автоматичен режим термовизионните камери засичат най-горещата и най-студената точка и настройват цветовата скала в рамките на целия обхват. Широкият диапазон следователно може да елиминира значимите температурни разлики.