Sonne und Wärme Thermografie in der Photovoltaik

Bild 1: Thermografische Aufnahmen einer vertikal verbauten Photovoltaikanlage mit inhomogener Auslastung
Thermografische Aufnahmen einer vertikal verbauten Photovoltaikanlage mit inhomogener Auslastung

Das Prüfen von Solarzellen via Infrarot-Thermografie ist seit mehr als einem Jahrzehnt Standard und gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil dieses Verfahren relativ schnell und mit einer einfachen und kostengünstigen Ausstattung zu lösen ist. Direkt während und nach der Montage kann die Defektsuche nach Anomalien beginnen. Korrekte thermografische Abbildungen von Photovoltaik-Zellen offenbaren schnell und zielgerichtet beispielsweise Shunt-Effekte und Asymmetrien durch Beobachtung der Temperatur der Zelle unter typischen Betriebsbedingungen.

Eine IR-Thermokamera ist im Grunde ein Infrarot-Videoaufnahmegerät, das jedes Einzelbild oder jede gespeicherte Sequenz radiometrisch betrachtet in einer verschobenen Wellenlänge thermisch skaliert und für die Temperaturbewertung bereithält. Die digitalen Inhalte einer jeden Aufnahme als radiometrische Rohdaten sind somit jederzeit verfügbar und lassen sich auch im Nachhinein einschließlich der Temperaturdaten an geänderte Strahlungsverhältnisse und atmosphärische Einwirkungen anpassen.

Um die einwandfreie Funktion einer PV-Anlage zu gewährleisten, müssen Feuchte-Wärme-Prüfung (Damp Heat), Temperaturwechselprüfung (Thermal Cycling), Feuchte-Frost-Prüfung (Humidity Freeze), UV-Prüfung (UV Exposure), Isolationsprüfung (Insulation), Kriechstromprüfung unter Benässung (Wet Leakage Current) und mechanische Belastungsprüfung (Mechanical Load) vorangegangen sein, die teils schon während des Produktionsprozesses erfolgt sind.

Bereits im verbauten Zustand direkt während und nach der Montage kann die Suche nach Defekten und Anomalien beginnen. Korrekte thermografische Abbildungen von Photovoltaik-Zellen offenbaren etwa Shunt-Effekte und Asymmetrien nur durch Beobachtung der Temperatur der Zelle unter typischen Betriebsbedingungen. Kurzschlüsse, fehlerhafte Kontaktierung und Kriechstromeffekte lassen sich durch thermische Veränderungen eingrenzen und diagnostizieren.

Thermografie-Aufnahmen machen Auffälligkeiten durch Verunreinigungen (Shunts) schnell sichtbar. Isolationsfehler, Kontaktüberhitzung und Diffusionsschäden können mittels der Wärmebildtechnik lokalisiert, dargestellt und näher analysiert werden. Stringfehler und Auslastungsdifferenzen lassen sich unter Last detektieren. Fehlerhafte Module und thermische Inhomogenität einzelner Zellen lassen sich akkurat bestimmen und für eine Problemanalyse lokal beschreiben.

Die Empfindlichkeit und thermische Auflösung von Thermografiekameras ist durch die Detektorempfindlichkeit beziehungsweise das Signal-/Rauschverhältnis (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD) begrenzt. Das NETD liegt für Thermokameras mit moderner, ungekühlter Mikrobolometertechnik zwischen circa 200 mK und Spitzenwerten von 20 mK. Der Effekt des so genannten Shunts oder Nebenschlusswiderstands ist aufgrund der thermischen Diffusion sowie der schwachen Wärmestrahlung der Fehlstelle selbst nur schlecht sichtbar und dessen Ursache schwierig zu finden.

Empfehlenswert sind deshalb Wärmebildkameras mit niedrigem NETD und hoher geometrischer Auflösung.

Guter Shunt, böser Shunt

Ein Nebenschlusswiderstand dient in der Messtechnik zur Messbereichseinstellung, also der Umschaltung zwischen den Messbereichen, und zur Messbereichserweiterung von Messgeräten. Der Shunt leitet den überschüssigen Strom am Messwerk vorbei. Für größere Ströme von einigen Ampere bis zu hunderten Ampere fertigt man getrennte Nebenschlusswiderstände.

Ein solcher Widerstand wird aus temperaturunabhängigen Widerstandswerkstoffen gefertigt, selbstverständlich gilt das ohmsche Gesetz. Die Tageslichtfotografie und -videotechnik sind weitgehend wirkungslos, sowohl bei der Detektion als auch bei Lokalisierung oder Analyse von Fehlern. Die Fotografie gibt jedoch brauchbare Informationen über Größe und Örtlichkeit von Fehlern. Deshalb sind leistungsfähige Wärmebildkameras auch damit ausgestattet.

Gute Systeme können sogar Infrarotbilder und Fotografie mischen, und dies sogar kongruent durchdringend, meist noch mit der Möglichkeit, die Transparenz bestimmen zu können. Eine Variation in der konventionellen Thermografie, den thermischen Übergang kontrastreicher darzustellen und etwaige Anomalien temperaturseitig abzugrenzen, ist eine Wärmelampe in Verbindung mit der Wärmebildkamera.

Mit einem künstlichen, zusätzlich generierten Wärmeeintrag kann unter Umständen die thermische Abgrenzung von Cracks oder Verunreinigungen durch die unterschiedliche und unterbrochene Wärmeleit-fähigkeit sichtbar gemacht werden. Eine weitere, jedoch komplexere Stufe in der quantitativen Wärmebildtechnik sind die Lock-in-Thermografiesysteme.

Ziel ist die Minimierung von thermischer Diffusion durch die Verwendung gepulster oder sinusförmiger modulierter laser- beziehungsweise mikrowellenbasierender Anregungsquellen, wobei diese Aktiv-Thermografie sich der Stimulation über Xenon- oder Halogen-Blitzlampen bedient. Derartige Untersuchungsmethoden sind starr und unflexibel, prädestiniert für die Massenuntersuchungen und daher vorwiegend stationär eingerichtet.

Thermografie an Photovoltaikanlagen

Um Produkt-, Planungs- und Ausführfehler weitgehend auszuschließen, bedient man sich der Wärmebildtechnik mittels Infrarotkameras. Hierbei verlässt man sich auf das Sichtbarmachen thermischer Anomalien, angeregt durch Widerstandsunterschiede.

Natürlich basiert eine akkurate Bestimmung von thermischen Auffälligkeiten auf den diagnostischen Fähigkeiten des Sachverständigen und nicht zuletzt auf dem Qualitätsniveau und den Spezifikationen des verwendeten Messmittels.

Inzwischen gibt es Weiterbildungsmaßnahmen unterschiedlicher Schulungsträger, die sach- und fachkundliche Grundlagen sowie Tiefenwissen über die Planung und Funktion moderner Photovoltaiken Auskunft geben.

Nicht nur die zielorientierte Thermografieschulung mit absolut sicheren Kenntnissen über strahlungsphysikalische Zusammenhänge in der Infrarotmesstechnik sind maßgebende Voraussetzung für eine fachkundige Bewertung, sondern auch das Wissen um die Komplexität der Photovoltaik selbst.

Zu den auf diese Weise identifizierbaren Problemen gehören (siehe auch Tabelle 1):

- Störung oder Ausfall von Wechselrichtern: Dies ist die häufigste Störungsursache. Wechselrichter reagieren sensibel auf Umwelteinflüsse wie Temperatur, Luftverunreinigung und Feuchte. Auch Netzschwankungen von außerhalb der Photovoltaikanlage können zu technischen Problemen und Ausfällen dieser verschleißorientierten Geräte führen. Dimensionierungsfehler geben oftmals Grund zur Klage. Das adäquate Ein- und Abregeln je nach Generatorleistung sollte witterungsgemäß ordentlich funktionieren, ohne dass Versorgungslücken bei Teil- oder Volleinspeisung entstehen.

- Leistungsdifferenzen an Strings mit identischer Generatorenanzahl: Die unverschattete Beaufschlagung einzelner Strings sollte bei symmetrischer Auslastung wenig Auffälligkeiten zeigen, weder in der Energieausbeute noch was thermische Anomalien betrifft. Kontaktierungs- und Anschlussfehler einzelner Module sind ein häufiges Fehlerbild, die sich mittels Infrarot-Thermografie schnell und unkompliziert feststellen lassen.

- Leistungsverlauf von Generatoren über die Betriebszeit: Die Degradation von Modulen in Form des schwindenden Wirkungsgrades im Laufe der Lebensdauer ist ein normales Phänomen und wird nach Art der Generatoren von den Herstellern unterschiedlich lang garantiert. Unterschiede zu unverbrauchten Neumodulen und verunreinigten Generatoren werden mit Wärmebildtechnik sichtbar.

- Materialbruch an Modulen: Brüche, meist am Schutzglas, entstehen vor allem während und nach Montage. Verspannen sich die Generatoren der Photovoltaikanlage durch unzureichend bemessene Dehnungsräume und Fixierungsfehler, etwa wegen Nichtbeachtung der Montageanleitung, kann es zum Bruch kommen. Rahmen und oder Unterkonstruktion von Generatoren sollten sich unter thermischem Einfluss dehnen dürfen. Natürlich kann eine angemessene kinetische Auslegung einer Havarie durch Unwetter weitgehend vorbeugen. Gegen andere Szenarien und Vandalismus ist kaum wirksamer Schutz geboten. Auch derartige Fehler, sofern diese das Penetrieren von Feuchte, Kurzschluss oder Cracks auf einzelnen Zellen zur Folge haben, bleiben bei einer geeigneten Thermografiekamera nicht unerkannt.

- Schadhafte Solarzellen und Substrings auf einem Generatormodul: Überhitzte Stellen auf einem in Reihe geschalteten Modul zeigen sich oft aufgrund von Abschattungen als so genannte Hot-Spots. Bypässe verringern diese Effekte zwar, heben sie jedoch nicht gänzlich auf. Hot-Spots können derart überhitzen, dass etwaige Schädigungen als Materialverfärbung mit bloßem Auge sichtbar werden können. Über die Wärmeleitfähigkeit des Schutzglases nach außen getragen, kann schon geringste Wärmeemission von einer qualitativ hochwertigen Thermografiekamera auf der Generatoroberfläche lokal detektiert werden. Radiometrische Wärmebildkameras, also messende IR-Systeme, können zudem die Temperaturen bestimmen. Mithilfe dieser quantitativen Thermokameras lassen sich nicht nur Temperaturunterschieden feststellen, sondern auch die Absoluttemperaturen messen. Innerhalb eines Moduls unterscheidet man weiter zwischen Defekten, wie schadhafte Einzelzellen und Sub-Strings. In allen Fällen wirkt sich der Ohmsche Widerstand als lokale Überhitzung aus. Dies kann die gänzliche Zerstörung der Zelle beziehungsweise eines Moduls bedeuten. In beinahe allen Fällen lassen sich Position und Auswirkung solcher Defekte mit einer geeigneten Wärmebildkamera ausmachen.