Wärmebildkamera richtig einsetzen für den PV-Anlagen-Check

Technik

Thermografie - Die thermografische Untersuchung von Photovoltaiksystemen ermöglicht das Lokalisieren möglicher Defekte auf Zell-und Modulebene sowie möglicher Verschaltungsfehler. Für die Aufnahme korrekter und aussagekräftiger Wärmebilder sollten bestimmte Randbedingungen und Messanweisungen eingehalten werden.

27. Oktober 2015

Ungekühlte Wärmebildkameras unterstützen immer öfter die Qualitätskontrolle von Solarmodulen vor der Montage und die regelmäßigen Kontrollen im Rahmen der vorbeugenden Wartung nach deren Montage. Aber nicht jede Wärmebildkamera eignet sich für die Kontrolle von Solarzellen. Zudem müssen einige Regeln und Richtlinien beachtet werden, damit die Untersuchung erfolgreich ist und keine falschen Schlüsse gezogen werden.

Das Wetter muss stimmen

Für die Durchführung einer thermografischen Untersuchung sollte der Himmel wolkenlos sein, da Wolken die Sonneneinstrahlung verringern und störende Reflexionen verursachen. Wenn die verwendete Wärmebildkamera empfindlich genug ist, lassen sich aussagekräftige Bilder aber auch bei Bewölkung erzielen.

Um bei Inspektion von Solarzellen vor Ort einen ausreichenden thermischen Kontrast zu erreichen, ist eine Sonneneinstrahlung von 500W/m² erforderlich. Ein optimales Ergebnis lässt sich bei einer Strahlung von 700W/m² erzielen.

Ebenso ist Windstille wünschenswert, da jeder Luftstrom auf der Oberfläche des Solarmoduls zu einer Abkühlung durch Konvektion führt, und den thermischen Gradienten verringert. Je niedriger die Lufttemperatur, desto höher der mögliche thermische Kontrast. Thermografische Untersuchungen am frühen Morgen durchzuführen ist daher eine Möglichkeit.

Eine weitere Möglichkeit, den thermischen Kontrast zu erhöhen, besteht darin, die Solarzellen elektrisch zu trennen und damit den Stromfluss zu verhindern, sodass es zu einer Erwärmung allein durch Sonneneinstrahlung kommt. Dann werden die Zellen wieder angeschlossen und während der Aufwärmphase betrachtet. Im Normalfall sollte man das System aber im Lastbetrieb untersuchen. Je nach Solarzellentyp und Art des Defekts können Messungen im Leerlauf oder Kurzschluss Zusatz-Informationen liefern.

Wesentliche Funktionen der Kamera

Wenn PV-Module von vorne untersucht werden, erfasst eine Wärmebildkamera zwar die Wärmeverteilung direkt auf der Glasoberfläche, aber nur indirekt die in den darunterliegenden Zellen. Darum können die Temperaturunterschiede, die für die Glasoberfläche des Solarmoduls gemessen und angezeigt werden, klein sein. Um diese sichtbar machen zu können, benötigen die für solche Inspektionen eingesetzten Wärmebildkameras eine thermische Empfindlichkeit von < 0,08K.

Für eine deutliche Anzeige geringer Temperaturunterschiede auf dem Wärmebild sollte mit der Kamera auch eine manuelle Justierung von Level und Span möglich sein. Zum Beispiel erscheinen stark reflektierende Aluminiumrahmen auf dem Wärmebild als kalte Zonen, da sie die Wärmestrahlung des Himmels reflektieren.

Für die Praxis heißt das, dass die Kamera die Rahmentemperatur als deutlich unter 0°C anzeigen wird. Da sich aber ihr Histogramm-Ausgleich automatisch an die höchsten und niedrigsten gemessenen Temperaturen anpasst, werden viele geringe thermische Auffälligkeiten nicht sofort sichtbar sein. Für einen hohen thermischen Kontrast des Wärmebilds müssen Level und Span darum ständig von Hand nachkorrigiert werden. Um das Bild nicht länger von Hand zu justieren, kann man auch DDE (Digital Detail Enhancement) einsetzen. Es optimiert automatisch den Bildkontrast in Szenen mit hohem Dynamikbereich.

Der geeignete Betrachtungswinkel

Ein weiterer Punkt: Glas reflektiert gerichtet, das heißt Objekte aus der Umgebung, die eine abweichende Temperatur aufweisen, sind deutlich im Wärmebild zu erkennen. Schlimmstenfalls führt dies zu Fehlinterpretationen und Messfehlern.

Messfehler entstehen in erster Linie durch ungünstige Positionierung der Kamera und nicht optimale Umgebungs- und Messbedingungen. Typische Fehler entstehen durch zu flachen Betrachtungswinkel und fluktuierende Sonneneinstrahlung während der Aufnahme, beispielsweise durch wechselnde Bewölkung. Auch Reflexionen und Teilabschattung spielen eine Rolle.

Um Reflexionen der Wärmebildkamera und des Bedieners im Glas zu vermeiden, sollte die Kamera nicht senkrecht zu dem zu untersuchenden Modul positioniert werden. Der Emissionsgrad ist jedoch für die Senkrechte am größten und nimmt mit zunehmendem Winkel ab. Ein Betrachtungswinkel von 5 bis 60° ist ein guter Kompromiss.

Es ist nicht immer einfach, beim Aufbau einer Messung einen geeigneten Betrachtungswinkel zu finden. Oft bietet ein Stativ eine Lösung. In schwierigeren Situationen kann es erforderlich sein, mobile Arbeitsplattformen zu verwenden oder mit einem Hubschrauber über die Module zu fliegen. Damit eine entsprechende Qualität des Wärmebilds gegeben ist, sollte bei diesen großen Entfernungen eine Kamera mit einer Auflösung von mindestens 320 × 240 Pixeln, besser mit 640 × 480 Pixeln verwendet werden.

Die Kamera sollte eine Wechseloptik besitzen, sodass der Bediener bei Fernaufnahmen mit einem Teleobjektiv arbeiten kann. Wärmebildkameras mit niedriger Bildauflösung sind zudem nicht in der Lage, die geringen Temperaturunterschiede darzustellen, die mit einem Teleobjektiv aus großen Entfernungen erfasst werden.

Analyse und Lokalisierung

Meistens lassen sich montierte PV-Module auch von ihrer Rückseite aus mit einer Wärmebildkamera untersuchen. So werden störende Reflexionen durch Sonne oder Wolken vermieden. Zudem können die auf der Rückseite auftretenden Temperaturen höher sein, da die Zelle direkt gemessen wird und nicht durch die Glasoberfläche.

Wärmebildkameras werden in erster Linie zur Lokalisierung von Defekten eingesetzt. Die Klassifizierung und Bewertung der entdeckten thermischen Auffälligkeiten erfordert fundierte Kenntnisse der Solartechnik und der untersuchten Anlage sowie zusätzliche elektrische Messungen.

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 unterschiedliche Defekte sein.

Die Überhitzung von Modulen weist dabei auf Verschaltungsfehler hin. Die Erwärmung einzelner Zellen und Zellstränge (Patchwork-Muster) im Modul wird im Allgemeinen durch defekte Bypassdioden, interne Kurzschlüsse und Zellmissmatch verursacht. Abschattung und Zellrisse 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.

Unterstützung bei Dokumentation

Wärmebilder, die unter Last-, Leerlauf- und Kurzschlussbedingungen aufgenommen wurden, sollten miteinander verglichen werden. Auch ein Vergleich von Bildern der Vorder- und Rückseite des Moduls kann wertvolle Informationen liefern. Für die korrekte Identifizierung des Defekts müssen Module mit festgestellten Auffälligkeiten auch elektrisch und visuell geprüft werden.

Sorgfältige Dokumentation ist Pflicht und sollte alle Inspektionsbedingungen, zusätzlichen Messungen und andere relevante Informationen enthalten. Die Wärmebildkamera sollte mit einer integrierten Digitalkamera ausgestattet sein, damit das zugeordnete Tageslichtbild 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.

Inspektionen mit einer Wärmebildkamera angefangen bei der Qualitätskontrolle während der Installationsphase und gefolgt von regelmäßigen Überprüfungen ermöglichen eine umfassende und einfache Zustandsüberwachung der Anlage und tragen somit zum Erhalt ihrer Funktionsfähigkeit und Verlängerung ihrer Lebensdauer bei. Der Einsatz von Wärmebildkameras bei der Inspektion von Solarmodulen verbessert daher die Rendite der Betreibergesellschaft.

Christiane Buchgeister (Flir Systems)

Erschienen in Ausgabe: 09/2015