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22.03.2012

Photovoltaik Thermografie - Prüfung von Solarzellen

Solarzelleninspektion mit Infrarot Wärmebildkameras, konventionellen bildgebenden Thermografieverfahren

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. Eine IRThermokamera ist im Grunde ein Videoaufnahmegerät, welches jedes Einzelbild oder gespeicherte Sequenz radiometrisch betrachtet in einer verschobenen Wellenlänge thermisch skaliert und für die Temperaturbewertung bereithält. Der digitale Inhalt einer jeden Aufnahme ist somit jederzeit verfügbar und kann einschließlich der Temperaturdaten an geänderte Stahlungsverhältnisse und atmosphärischen Einwirkungen, auch im Nachhinein, einfach angepasst werden.

Vertrauen ist gut, aber Kontrolle ist besser!

Damit die einwandfreie Funktion PV-Anlagen gewährleistet werden kann, müssen Feuchte-Wärme-Prüfung (Damp Heat), Temperaturwechselprüfung (Thermal Cycling), Feuchte-Frost-Prüfung (Humidity Freeze), UV-Prüfung (UV Exposure), Isolationsprüfung (Insulation), Kriechstromprüfung unter Benässung (Wet Leackage Current) und mechanische Belastungsprüfung (Mechanical Load) vorangegangen sein, welche teils produktionsprozessbegleitend bereits vorangehen.
Bereits im verbauten Zustand direkt während und nach der Montage kann die Defektsuche nach Anomalien beginnen. Korrekte thermografische Abbildungen von Photovoltaik-Zellen offenbaren schnell und zielgerichtet bspw. Shunt Effekte und Asymmetrien nur durch Beobachtung der Temperatur der Zelle unter typischen Betriebsbedingungen. Kurzschlüsse, fehlerhafte Kontaktierung und Kriechstromeffekte lassen sich durch thermische Veränderung eingrenzen und diagnostizieren. Thermografie-Aufnahmen machen Anomalien durch Verunreinigungen (Shunts) schnell sichtbar. Isolationsfehler, Kontaktüberhitzung und Diffusionsschäden können mittels der Wärmebildtechnik lokalisiert, dargestellt und näher analysiert werden.

Die Empfindlichkeit und thermische Auflösung von Thermografiekameras wird durch die Detektorempfindlichkeit bzw. dem Signal-/Rauschverhältnis (die kleinste zu messende Temperaturdifferenz, sprich NETD) begrenzt. Das NETD für Thermokameras mit moderner ungekühlter Mikrobolometertechnik liegt zwischen ca. 200mK bis zu Spitzenwerten von 20mK.

Der Effekt des sog. Shunt-Widerstand bzw. Nebenschlusswiderstand ist aufgrund der thermischen Diffusion, die Ausbreitung von thermischer Energie im Laufe der Zeit, sowie die schwache Wärmestrahlung des Mangels selbst, nur schlecht sichtbar und dessen Ursache schwierig. Man empfiehlt deshalb Wärmebildkameras mit niedrigem NETD und hoher geometrischer Auflösung.

Definition

Ein Shunt-Widerstand oder Nebenschlusswiderstand wird in der Messtechnik zur Messbereichseinstellung, also der Umschaltung zwischen den Messbereichen, und zur Messbereichserweiterung von Messgeräten eingesetzt. Der Shunt-Widerstand leitet den überschüssigen Strom am Messwerk vorbei. Für größere Ströme von einigen Ampere (A) bis zu hunderten Ampere fertigt man getrennte Nebenschlusswiderstände. Ein Shunt-Widerstand wird aus temperaturunabhängigen Widerstandswerkstoffen gefertigt.
Berechnet wird ein Shunt-Widerstand nach dem ohmschen Gesetz und zwar aus der Differenz zwischen dem Gesamtstrom und dem Strom, der durch das Messgerät fließt. In der Formel ergibt sich der Wert für den Shunt-Widerstand (Rp) aus dem Quotienten zwischen dem Messgerätestrom (Im) und dem Differenzstrom multipliziert mit dem Innenwiderstand des Messgerätes (Rm).

Die Tageslichtfotografie und Videotechnik sind weitgehend wirkungslos weder Fehler zu detektieren, diese noch zu lokalisieren bzw. analysieren. Die Fotografie gibt jedoch brauchbare Informationen über die Größe und Örtlichkeit von Fehlern. Deshalb ist heute eine leistungsfähige Infrarot Wärmebildkamera mit beiden Alternativen ausgestattet. Gute Systeme können sogar Infrarot Thermobilder und Fotografie mischen und dies sogar kongruent durchdringend, meist noch mit der Möglichkeit die Transparenz in % 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 etc. durch die unterschiedliche und unterbrochene Wärmeleitfähigkeit sichtbar gemacht werden.

Eine weitere, jedoch komplexere Stufe in der quantitativen Wärmebildtechnik sind die Lock-in-Thermografie-Systeme. Ziel ist die Minimierung von thermischer Diffusion, durch die Verwendung gepulster oder sinusförmiger modulierter Laser- bzw. Mikrowellebasierender Anregungsquellen – wobei diese Aktiv-Thermografie sich alternativ von der Stimulation über Xenon-oder Halogen-Blitzlampe bedient.
Lock-in-Thermographie (LIT) ist in der portablen Nachprüfung keine kommerzielle Lösung und unflexibel. Jedoch werden den Ansprüche in Sachen Analytik von PV und CV Zellen sowie der Bewertung von auftretenden Fehlern nahezu keine Grenzen gesetzt – im gleichen Maße verhält sich dies leider auch mit dem Ansteigen der Interpretationsmöglichkeiten, sofern die Untersuchungsmethode nicht starr und unflexibel für Massenuntersuchungen stationär eingerichtet werden kann.

Mit freundlicher Genehmigung der ebs ATuS GmbH.

 

ZITEC News Nr. 13/2012 | www.zitec.de | Kontakt: technik@zitec.de