Infrarot Bild Wechselrichter

Infrarot-Kamera zur Analyse von PV-Anlagen

Eine Infrarot-Kamera ist ein wichtiges Werkzeug des PV-Experten. Abweichungen von hundertstel Graden können damit festgestellt und eindrucksvoll visualisiert werden. Moderne Infrarotkameras nehmen nicht nur das Wärmebild auf, sondern machen zeitgleich auch ein optisches Foto. Dies erlaubt später die eindeutige Zuordnung von Wärmebildern zu bestimmten Geräten, Kabeln, usw. Auch die Überlagerung von IR-Bildern und optischen Bildern ist möglich, sodass Objektgrenzen und Beschriftungen auch im Wärmebild gut sichtbar sind.

Infrarotmessung an PV-Modulen

Eine Solarzelle, die beschädigt ist, generiert nicht so viel Strom, wie eine die intakt ist. Gleichzeitig setzt sie aber auch dem Strom der anderen Zellen (welche in Serie liegen) einen elektrischen Widerstand entgegen. Dadurch wird die Solarzelle zu einem Verbraucher von Energie statt einem Erzeuger (auch bei Sonneneinstrahlung). Diese Energie gibt sie dann als Wärme wieder ab - die Wärmestrahlung kann mit einer Infrarotkamera sichtbar gemacht werden. Durch dieses Phänomen ist es also möglich, fehlerhafte Solarzellen zu erkennen, die sonst optisch unauffällig sind.

Warum erhitzen sich PV-Zellen?

Wenn PV-Module nicht die Nennleistung bringen, kann das mehrere Ursachen haben. Eine Schädigung der Zelle geht fast immer mit Leistungseinbußen einher. Die folgenden Schäden an PV-Zellen können mit einer Infrarotkamera detektiert werden.

IR-Bild Hotspot

Hot-Spots - Darunter versteht man die punkförmige Erhitzung einer Solarzelle. Diese kann durch Herstellungsfehler (also Fehler in der Dotierung oder im Kristallgitteraufbau der Zelle), Ablösen von Leiterbahnen oder auch Brüche von Zellen oder Leitungen herbeigeführt werden. Die betroffenen Zellen haben dann deutlich höhere Temperaturen, als das restliche Modul. Auf Grund der schnelleren Alterung bei höheren Temperaturen, kann sich dadurch die Klebefolie, oder auch die Rückseitenfolie bräunlich oder gelblich verfärben. Hotspots vermindern die Leistung des ganzen PV-Strings, da sie den Strom im ganzen Modulstrang begrenzen. Auch die Modulspannung kann dadurch einbrechen. Hotspots können auf Grund der Erwärmung im Extremfall auch zu Verbrennung der Kunststoffe im PV-Modul führen. Mit der Infrarotkamera sind Hotspots recht schnell auffindbar.

Zellenbruch - Ein PV-Modul besteht zumeist aus 60 Solarzellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Fällt eine dieser Zellen aus, so kann sie also die Leistung des gesamten Moduls reduzieren. Solarzellen sind extrem dünn (ca. 0,2mm) und bestehen aus Silizium, welches ähnliche mechanische Eigenschaften hat wie Glas. Sie können aus unterschiedlichen Gründen brechen. Dazu zählen Herstellungsfehler bei Zellen- oder Modulfertigung, Transportschäden, Montagefehler, aber auch externe Gründe wie Hagel oder extreme Wind- und Schneelasten. Auch das Begehen der Module durch Menschen stellt eine Fehlerquelle dar. Auch wenn das Modul-Glas dabei in der Regel nicht zerbricht, so kann dennoch durch die Verbiegung des Glases die Zelle darunter brechen. Diese Brüche sind mit freiem Auge nur selten zu erkennen, da die Bruchkanten meist so nahe beisammen liegen, dass sie keine Kontrastlinie erzeugen. Ein Zellenbruch reduziert in aller Regel die Leitfähigkeit der Leiterbahnen, welche den Riss queren, oder unterbricht diese vollständig, wodurch dann der abgebrochenen Zellenteil ausfällt. Durch das Wegfallen von Teilflächen muss die restliche Zelle mehr Strom übernehmen was zu Erwärmung führen kann. Diese Erwärmung kann mit der Infrarotkamera sichtbar gemacht werden.

PID Potential Induced Degradation - PID ist ein elektro-chemischer Prozess, bei dem die elektrische Leitung der Solarzelle durch Fremdatome gestört wird. Diese Fremdatome (in der Regel Natrium, Na+ Ionen) wandern aus dem Modulglas durch die Klebeschichten in Richtung der Zelle und siedelt sich auf der Zelloberfläche an. Ausgelöst wird dieser Prozess durch die anliegenden hohen Spannungen (bis zu 1000V), sowie höhere Temperaturen, mit deren Hilfe die Na+ Ionen schneller wandern können. Auch eine hohe Luftfeuchtigkeit fördert den PID-Effekt, da durch die Feuchtigkeit leitende Schichten auf der Glasoberfläche entstehen können, welche das elektrische Feld stärken und somit auch die Natriumwanderung unterstützen. Zellen, die den PID-Effekt aufweisen, werden an ihrer Oberfläche elektrisch invertiert, wodurch sie nicht mehr wie eine Fotodiode, sondern wie ein elektrischer Widerstand wirken. Die Verlustleistung dieses Widerstandes kann mit einer IR-Kamera sichtbar gemacht werden. Da üblicher Weise vor allem die Zellen am Modulrand betroffen sind, entsteht in diesem Fall ein entsprechendes Muster (heißer Ring).

 

IR-Bild Verschmutzung

Verschmutzungen - Verschmutzungen oder Verfärbungen auf dem PV-Modul können die Leistung einzelner Zellen reduzieren. Zu den internen Verschmutzungen gehören Produktionsfehler, Einschluss von Fremdteilen, sowie auch eine möglicherweise beim Altern auftretende Verfärbung oder sogar Delamination, also das Ablösen der EVA-Folie, die das PV-Module zusammenhält. Externe Verschmutzungen bestehen meist aus Algen, Blätter von Bäumen, Vogelexkrementen oder Rußpartikel, die sich vor allem am unteren Rand vor dem Rahmen der Module ansammeln können. Externe Verschmutzungen können je nach Intensität z.B. einmal jährlich beseitigt werden, wobei darauf zu achten ist, das Glas und die eventuell vorhandene Antireflexbeschichtung des Modulglases weder chemisch noch mechanisch zu beschädigen.

IR-Bild Verschmutzung

Verschattungen - Verschattete Zellen leiten weniger Strom, als solche, die direkt von der Sonne beleuchtet werden. Da der Gesamtstrom jedoch von den anderen PV-Modulen in der Reihe in gleicher Höhe weitergetrieben wird, steigt die Stromdichte in der nicht-verschatteten Zellenfläche. Die dadurch erhöhte Verlustleistung wird als Wärme abgestrahlt, was verschatteten Zellen ein Temperaturplus von einigen zehn °C bescheren kann. Infrarotkameras sind in der Lage, diese Temperaturdifferenzen deutlich darzustellen.

 

IR-Bild Schaltschrank

Überprüfung der Elektrik

Aber auch andere elektrische Einrichtungen können mit der Infrarotkamera überprüft werden. Zusätzlich zu der gesetzlich vorgeschriebenen Wiederkehrenden Prüfung, kann ein Infrarotbild schnell Indizien für mögliche Fehlerquellen aufzeigen, wie z.B. elektrische Überlast von Leitungen, Sicherungen und Schaltgeräten, lose elektrische Klemmstellen oder hochohmige elektrische Übergänge, Wärmestau in Schaltschränken oder ungleichmäßige Stromaufteilung bei parallelen Leitungen. Infrarotmessungen sind zwar nicht gesetzlich vorgeschrieben, erlauben aber durch ihre schnelle und einfache Auswertung das frühe Erkennen von Brandgefahren, was speziell in explosions-geschützen Räumen, oder bei älteren elektrischen Anlagen wichtig sein kann.

 

Weitere Referenzen

Video eines IR-Scans