Stationäre Thermografie zur nicht-intrusiven Fehlererkennung bei Solarmodulen

Optimierung der Leistung und Lebensdauer von Solarmodulen durch schnelle, nicht-intrusive Früherkennung von Defekten

Um eine nachhaltige und zuverlässige Stromerzeugung aus Solarenergie zu erreichen, ist es kommerziell essenziell, die Lebensdauer von Photovoltaik-(PV)-Modulen zu verlängern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Die Kosten pro Energieeinheit, die ein PV-Modul erzeugt, werden durch die durchschnittliche Sonneneinstrahlung am Installationsort, die Lebensdauer des Moduls und den Anschaffungspreis beeinflusst. Zusätzlich entstehen erhebliche Kosten durch unvollständige Qualitätskontrolle während der Produktion, nach der Installation und während des Betriebs von PV-Modulen.

Während der Produktion können einige defekte PV-Module unentdeckt bleiben und eingesetzt werden, was während des Betriebs zu Leistungsverlusten und Sicherheitsrisiken führt. Konventionelle Methoden zur Erkennung defekter Solarmodule, wie Strom-Spannungs-(I-V-)Kurvenmessungen auf Modul- oder String-Ebene unter Sonnenlicht, sind zeitaufwendig und arbeitsintensiv, da jeder String oder jedes einzelne Modul separat mit dem Messgerät verbunden werden muss.

In der Hochvolumenproduktion besteht Bedarf an einer Methode, die eine schnelle, nicht-intrusive und großflächige Inspektion von PV-Modulen ermöglicht – ohne Unterbrechung des Stromkreises. Die Identifikation von primären Problemen wie Delamination, bei der sich Schichten des Moduls trennen und Luftspalte entstehen, ist entscheidend, da diese die thermische und mechanische Stabilität reduzieren und zu weiterer Degradation sowie möglichen Ausfällen führen. Haftungsverlust, bei dem die Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten schwächer wird oder versagt, beeinträchtigt die strukturelle Integrität und die Fähigkeit, Umweltbelastungen standzuhalten. Feuchtigkeitseintritt kann zur Korrosion elektrischer Bauteile, zu Kurzschlüssen und reduzierter Isolationsfestigkeit führen und die Leistung des Moduls erheblich beeinträchtigen.

Cell mismatch, also Zell-Mismatch, bei dem einzelne Zellen innerhalb eines Moduls aufgrund von Fertigungsunterschieden oder Beschädigungen nicht gleichmäßig arbeiten, reduziert langfristig die Effizienz. Risse in Solarzellen, ob Mikrorisse oder größere Brüche, müssen erkannt werden, da sie sich im Laufe der Zeit ausbreiten und zu erheblichen Leistungs­einbußen oder sogar zum Totalausfall des Moduls führen können.

Die Erkennung defekter Bypass-Dioden oder interner Kurzschlüsse ist entscheidend, da diese Probleme die Leistung und Lebensdauer des Moduls stark beeinträchtigen. Bypass-Dioden schützen Solarzellen vor Schäden durch Teilverschattung, aber wenn sie defekt sind, führen sie zu Überhitzung, thermischen Hotspots und potenziellen Brandgefahren. Interne Kurzschlüsse stören den Stromfluss, reduzieren die Effizienz des Moduls und können weitere elektrische Ausfälle verursachen. Eine frühe Identifikation dieser Defekte hilft, optimale Energieerträge sicherzustellen, Sicherheitsrisiken zu vermeiden und die Gesamtlebensdauer des Solarmoduls zu verlängern.

Effektive und schnelle Qualitätsprüfprozesse für die Qualitätssicherung in der PV-Modulproduktion und während des Betriebs sind umso wichtiger, je stärker der Preisdruck und das Haftungsrisiko steigen.

Radiometrische IR-Kameras und hohe Empfindlichkeit für präzise Anomalieerkennung an Solarmodulen

Jede Art von Anomalie – wie Hotspots, Zell-Mismatch oder Ausfälle von Bypass-Dioden – besitzt eine eigene thermische Signatur, die mit Infrarotkameras erkannt werden kann. Um diese Temperaturunterschiede präzise zu quantifizieren, die Schwere der Anomalien zu bewerten und deren Priorisierung zu ermöglichen, wird der Einsatz einer radiometrischen Infrarotkamera dringend empfohlen. Nur radiometrische IR-Kameras erfassen und speichern genaue thermische Daten für jedes Pixel und ermöglichen so eine präzise Identifikation und Quantifizierung von Temperaturabweichungen.

Ein einzelner Zell-Hotspot kann beispielsweise anhand der Temperaturdifferenz zu benachbarten Bereichen verschiedenen Prioritätsstufen zugeordnet werden. Eine Temperaturabweichung von weniger als 10 °C könnte als geringe Priorität gelten, während eine Differenz von 20 °C oder mehr auf ein hochpriorisiertes Problem hinweist, das sofortige Aufmerksamkeit erfordert. Solche Temperaturvariationen können auf zugrunde liegende Probleme wie interne Kurzschlüsse, Risse oder Delamination hinweisen, die unbehandelt zu erheblichen Energieverlusten oder Sicherheitsrisiken führen können.

Temperaturmessungen sind auch entscheidend, um die Schwere ähnlicher Anomalien zu unterscheiden. Ein Hotspot in einer Anschlussdose oder eine String-Anomalie kann basierend auf der gemessenen Temperaturerhöhung in niedrige, mittlere oder hohe Priorität eingestuft werden. Diese Klassifizierung hilft, Wartungsmaßnahmen gezielt zu priorisieren, sodass kritische Probleme schnell adressiert werden, um die Effizienz und Sicherheit des Solarsystems zu erhalten.

Präzise Temperaturmessung und niedrige NETD-Werte unterstützen die Früherkennung schleichender Degradationsprozesse. Thermische Anomalien mit geringeren Temperaturdifferenzen sind zwar nicht sofort kritisch, deuten jedoch auf eine fortschreitende Verschlechterung hin, die sich im Laufe der Zeit verschlimmern kann. Regelmäßige Überwachung ermöglicht rechtzeitige Eingriffe, verhindert das Fortschreiten kleiner Probleme zu größeren Defekten und stellt die langfristige Zuverlässigkeit und Leistung der PV-Module sicher.