Rys. 1 Budowa ludzkiego oka

Oko ludzkie umożliwia nam zdobywanie bardzo dużej ilości informacji o otoczeniu, o odległościach, kształtach, ruchach oraz barwach, dzięki czemu możemy bezpiecznie poruszać się w przestrzeni oraz analizować obserwowaną sytuację.

Rys.2 Zakres fali widzialnych

Jednak nie wszystkie organizmy widzą tak samo, natura dostosowała sposób widzenia do potrzeb poszczególnych organizmów. Węże posiadają możliwość widzenia fal podczerwonych, za pomocą jamek termicznych, dzięki którym wąż wykrywa nawet minimalne zmiany temperatury.
Zmiany te wywołane są przez stałocieplne zwierzęta (myszy, ptaki), a także te zmiennocieplne (jaszczurki, żaby) ponieważ temperatura ich ciała jest nieco wyższa od temperatury otoczenia. Jamki skierowane są tak, aby wąż mógł określić odległość jak i wielkość swojej ofiary nawet w warunkach ograniczonej widoczności lub ciemną nocą. Organy te wykrywają różnice rzędu 0.001°C.

Rys. 3 Różnice ciepła na ciele ptaka

Teraz już możemy zrozumieć zasadę działania kamery termowizyjnej, która naśladuje i łączy pracę oka i jamek termicznych węży. Promieniowanie cieplne emitowane jest przez istoty żywe, zbiorowisko kropel cieczy, powierzchnię ciała stałego w obserwowanej przestrzeni czyli przez każdy obiekt, którego temperatura przekracza zero absolutne(-273, 15°C).

To promieniowanie przechodzi przez soczewkę i skupia się na detektorze. Współczesne detektory budowane są jako matryce pojedynczych detektorów, zwanych pikselami. Każdy z poszczególnych detektorów przetwarza padające na niego promieniowanie na sygnał elektryczny, który zmienia się zależnie od intensywności promieniowania podczerwonego. Sygnał ten jest przekształcany do postaci cyfrowej i wtedy już widzimy go na wyświetlaczu kamery (zdjęcie termowizyjne, termogram).

Kamera termowizyjna może być wykorzystana przez człowieka do różnych celów. Dzięki niej możemy zidentyfikować wady izolacji termicznej budynków,
uzyskać wiele informacji na temat wykonania prac budowlanych i jakości użytych materiałów oraz strat ciepła w naszych domach. Pozwala na łatwą lokalizacja rur
z ciepłą wodą oraz wycieków i nieszczelności, miejsc pęknięć sieci grzewczej i wodociągowej. Kamera termowizyjna czyni nas tak przebiegłym i skutecznym w oszczędzaniuenergii cieplnej jak przebiegły i sprytny potrafi być wąż w złapaniu i pochłanianiu „ciepła” ;)

Rys.4 Różne temperatury na elewacji budynku pozwalają na wykrycie wad.

Patrycja Surówka

Źródła:
Rys.1 pobrane z kck.wikidot.com
Rys2.-Rys.4 własne materiały

Kamera termowizyjna opiera się na rejestrowaniu promieniowania podczerwonego, które jest niewidzialne dla ludzkiego oka. Każdy obiekt, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego czyli od temperatury 0 K (-273,15°C) jest źródłem ciepła i emituje promieniowanie podczerwone. Nawet ciała, które wydają się nam bardzo zimne, takie jak kry lodu na Antarktydzie, również są źródłem tego promieniowania.

Rys. 1 Zdjęcie wykonane kamerą termowizyjną, które daje nam możliwość rozpoznania miejsc cieplejszych bądź zimniejszych.

Kamera ta lokalizuje i określa wielkość występowania promieniowania podczerwonego emitowanego przez dany obiekt. Efektem badania są zdjęcia zwane termografami - obraz cieplny w postaci mapy pokazującej rozkład temperatur, w której każdy piksel posiada swoją wartość temperatury.
Kamera termowizja jest więc rodzajem termometru działającego na odległość, który ma możliwość przedstawienia naszym oczom znacznie więcej, aniżeli jesteśmy w stanie zobaczyć.

Analizę budynku kamerą termowizyjną można wykonać zarówno od zewnątrz budynku, jak i od środka poszczególnych jego pomieszczeń. W obu przypadkach będziemy mogli dostrzec mostki termiczne czyli „dziury”, przez które ucieka cenne ciepło. Gdy wykonujemy pomiar w ogrzewanym pomieszczeniu miejsca ucieczki ciepła są na termogramach pokazywane, jako miejsca zimniejsze i zazwyczaj mają kolor ciemny - niebieski, zgodnie ze skalą temperatur.

Natomiast jeśli pomiary wykonywane są na zewnątrz budynku lub w pomieszczeniach nieogrzewanych ma miejsce odwrotna sytuacja. Wówczas wadliwość izolacji termicznej lub wpływ wilgoci jest pokazywany jako miejsca cieplejsze i jednocześnie – jaśniejsze na zdjęciach.

Rys. 2 Skala temperatur na termogramie mieści się w przedziale od 26.05°C – 6.84°C (barwa jasna oznacza miejsca posiadające wysoką temperaturę, barwa ciemna – niska temperatura).

Możliwości wykorzystania kamery termowizyjnej:
- sprawdzenie poprawności wykonania izolacyjności termicznej fundamentów domu
- wykrywania wad ogrzewania podłogowego i niedrożność tradycyjnej instalacji grzewczej
- lokalizacji miejsc, które ukrywają pod tynkiem: zamurowane okna, wyloty kominów wentylacyjnych
- kamerę termowizyjną można między innymi wykorzystać do ustalenia czy ramy stolarki okiennej i drzwiowej są poprawnie osadzone na ościeżach – tak,
by nie dochodziło do ucieczki ciepła
- można ją stosować do określania strat zimna - w przypadku klimatyzacji
- wykrywania pęknięć lub przerwy w uszczelnieniach budynku
- lokalizacji wilgoci przenikającej przez spoiny i pęknięcia w dachach, sufitach i ścianach, która pozostaje w nich uwięziona, co powoduje gnicie
struktury budynku i powstawanie pleśni
- kamery termowizyjne doskonale nadają się do badania jakości wykonania izolacji cieplnej, oraz zbadania czy zastosowane materiały
w pełni odpowiadają za izolację cieplną
- wykrywanie miejsc nawiewu zimnego powietrza przez gniazdka elektryczne, oraz kratki wentylacyjne
- ocena, w jakim stopniu potrzebny jest remont budynku

Skorygowanie tych błędów i wad w sposób znaczący zwiększa sprawność energetyczną oraz strukturalną integralność budynku.

Szczególnie ważne są miejsca niewidoczne po zakończeniu budowy, które mogą mieć znaczący wpływ na koszty eksploatacji budynku.

Rys.3 Otwory okienne i drzwiowe źle uszczelnione są miejscami największej straty ciepła w budynku

Regularne kontrole struktur za pomocą kamery termowizyjnej od wewnątrz i od zewnątrz pomagają szybko zlokalizować miejsca, gdzie występują mostki termiczne. Oczywiste jest także, że znając źródło i przyczynę strat ciepła – zdecydowanie łatwiej jest z nimi walczyć i starannie zaplanować działania zmierzające do ograniczenia strat energii cieplnej.

Przedsiębiorstwa specjalizujące się w badaniach termowizyjnych budynków mieszkalnych starają się propagować wśród deweloperów, wykonawców i osób indywidualnych ideę kontroli wykonywanych prac przy użyciu kamery termowizyjnej. Staramy się uświadamiać wszystkim, że takie badania przed zakończeniem prac pomagają wwyeliminować wiele niedociągnięć. Sprawdzenie budynku pozwala na usunięcie ewentualnych błędów, w momencie gdy jest jeszcze czas na wprowadzenie poprawek. Pamiętajmy, że badania termowizyjne są wsparciem dla budownictwa.

Patrycja Surówka

Zaoszczędź 40% lub więcej kupując wybrane narzędzia testowo-pomiarowe FLIR Systems

Wybrane modele multimetrów FLIR objęte promocją:

Aby poznać szczegóły promocji skontaktuj się z bezpośrednim dystrybutorem FLIR Systems w Polsce:

iBros technic  tel: +48 12 3767051 oraz +48 22 2035086   email: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.   www.termowizja.ibros.pl     www.iBros.pl  

Oferta ograniczona czasowo: od 07/05/2019 do 06/08/2019.

Zastosowanie kamer termowizyjnych w badaniach paneli słonecznych ma wiele zalet. Nieprawidłowości mogą być wyraźnie widoczne na ostrym obrazie termicznym oraz - w przeciwieństwie do większości innych metod - kamery termiczne mogą być używane do skanowania zainstalowanych paneli słonecznych, w czasie normalnej pracy. Wreszcie, kamery termowizyjne pozwalają skanować duże powierzchnie w krótkim czasie.

W dziedzinie badań i rozwoju kamery termowizyjne są narzędziem do oceny ogniw słonecznych i paneli. Dla tych skomplikowanych pomiarów, kamery o wysokiej wydajności, zwykle z chłodzonymi detektorami stosuje się w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Jednakże stosowanie kamer termowizyjnych do paneli słonecznych nie jest ograniczone tylko w dziedzinie badań. Kamery termowizyjne są obecnie coraz częściej używane do kontroli jakości paneli słonecznych przed instalacją oraz do badań kontrolnych i konserwacyjnych po zamontowaniu panelu. Kamery te są przenośne, lekkie i pozwalają na bardzo elastyczne wykorzystanie w terenie.

Za pomocą kamery termowizyjnej potencjalne obszary problemowe mogą być wykryte i naprawione przed wystąpieniem rzeczywistych problemów i awarii. Ale nie każda kamera termowizyjna jest przeznaczona do kontroli ogniw słonecznych. Są pewne zasady i wytyczne, które muszą być przestrzegane w celu przeprowadzenia skutecznych kontroli i wyciągnięcia właściwych wniosków. Przykłady w tym artykule są oparte na modułach fotowoltaicznych z krystalicznych ogniw słonecznych; jednak zasady i wytyczne mają również zastosowanie do kontroli termograficznych modułów cienkowarstwowych.

Procedury kontroli paneli słonecznych z kamer termowizyjnych
Podczas procesu rozwoju i produkcji komórki słoneczne są uruchamiane elektrycznie lub z wykorzystaniem lampy błyskowej. Gwarantuje to, że istnieje wystarczający kontrast termiczny do dokładnych pomiarów termowizyjnych. Metoda ta nie może być stosowana przy badaniu paneli słonecznych w tej dziedzinie, jednak operator musi upewnić się, że nie ma wystarczającej ilości energii dostarczonej przez Słońce.

Aby osiągnać wystarczający kontrast termiczny podczas sprawdzania ogniw słonecznych, potrzebne jest natężenie promieniowania słonecznego 500 W / m2 lub więcej. Dla maksymalnego efektu wskazane jest natężenie promieniowania słonecznego 700W / m2. Natężenie promieniowania słonecznego opisuje incydent chwilowej mocy na powierzchni w jednostkach kW / m2, która może być mierzona poprzez piranometr (globalne promieniowanie słoneczne)lub pyrheliometr (bezpośrednie promieniowanie słoneczne). To w dużym stopniu zależy od położenia i lokalnych warunków pogodowych. Niskie temperatury na zewnątrz mogą również zwiększyć kontrast termiczny.

Jaki typ aparatu jest potrzebny?
Przenośne kamery termowizyjne do predykcyjnych przeglądów serwisowych zazwyczaj mają niechłodzony detektor mikrobolometryczny w zakresie 8-14 mikrometrów. Jednak szkło nie jest przezroczyste w tym obszarze. Gdy ogniwa słoneczne są kontrolowane od przodu, kamera termowizyjna widzi dystrybucję ciepła na powierzchni szkła, ale tylko pośrednio dystrybucję ciepła w komórkach bazowych. Dlatego różnice temperatur, które mogą być mierzone i obserwowane na powierzchni panelu słonecznego są małe. Aby te różnice były widoczne, kamera termowizyjna wykorzystywana do tych kontroli potrzebuje czułości termicznej ≤0.08K. Do wyraźnej wizualizacji małych różnic temperatury w obrazie termicznym, aparat powinien mieć możliwość ręcznej regulacji poziomu i rozpiętości.

Moduły fotowoltaiczne są zwykle montowane na bardzo refleksyjnej konstrukcji aluminiowej, która przedstawia się jako zimny obszar na obrazie termicznym, ponieważ odbija promieniowanie cieplne emitowane przez niebo. W praktyce oznacza to, że kamera termowizyjna rejestruje temperaturę ramową znacznie poniżej 0 ° C. Ponieważ wyrównanie histogramu obrazowania kamery termicznej automatycznie dostosowuje się do maksymalnych i minimalnych temperatur, wiele małych anomalii termicznych nie będzie od razu widoczne. Aby osiągnąć wysoki kontrast obrazu termicznego będzie potrzebna ciągła ręczna korekcja poziomu i zakresu.

 Tzw. DDE (Digital Detail Enhancement) zapewnia funcjonalne rozwiązanie.DDE automatycznie optymalizuje kontrast obrazu w scenach z wysokim zakresem dynamiki, a obraz termiczny nie musi być regulowany ręcznie. Kamera termowizyjna z funkcją DDE idealnie nadaje się do szybkich i dokładnych kontroli paneli słonecznych.

Zdjęcie termowizyjne bez DDE (od lewej) i z DDE (od prawej)

Przydatne funkcje

Kolejną przydatną funkcją dla kamery termowizyjnej jest tagowanie zdjęć termalnych z danych GPS. Pozwala to na łatwe zlokalizowanie wadliwych modułów w dużych obszarach, np. w gospodarstwach słonecznych, a także odnoszenie obrazów termicznych do urządzeń, np. w raportach.

Kamera termowizyjna powinna mieć wbudowany aparat cyfrowy, który wiąże się z obrazem cyfrowym (cyfrowe zdjęcia) umożliwiając zapisywanie z powiązanego obrazu termicznego. Jest to tzw. tryb fuzji pozwalający na nakładanie obrazów cieplnych i wizualnych, które mogą być również użyteczne. Przy tworzeniu raportów mogą okazać się przydatne komentarze głosowe oraz tekstowe, które mogą być zapisywane w kamerze razem z obrazem termicznym. 

Ustawienie aparatu: odbicia i emisyjność
Mimo, że szkło ma emisyjność 0.85-0.90 w zakresie 8-14 mikrometrów, pomiary termiczne na powierzchni szkła nie są łatwe do zrobienia. Odbicia szklane są lustrzane, co oznacza, że otaczające przedmioty o różnych temperaturach mogą być wyraźnie widoczne w obrazie termicznym. W najgorszym przypadku powoduje to błędną interpretację (fałszywe "gorące punkty") oraz błędy pomiarowe.

Aby uniknąć odbicia kamery termowizyjnej i operatora w szkle, instrument nie powinien być ustawiony prostopadle do sprawdzanego modułu. Jednak emisyjność jest najwyższa, gdy kamera ustawiona jest prostopadłe, a zmniejsza się wraz ze wzrostem kąta. Dobrym rozwiązaniem jest kąt patrzenia 5-60 °.

Kąt zależny od emisyjności szkła

Obserwacje długodystansowe
Nie zawsze łatwe jest osiągnięcie odpowiedniego kąta widzenia podczas pomiaru set-up. Korzystanie ze statywu może stanowić rozwiązanie tego problemu w większości przypadków. W trudniejszych warunkach może być konieczne skorzystanie z mobilnych platform roboczych, a nawet latanie helikopterem nad panelami słonecznymi. W tych przypadkach, większa odległość od celu może być korzystna, ponieważ większa powierzchnia może być postrzegana w jednym przejściu.

W celu zapewnienia wysokiej jakości obrazu termicznego do badań na dłuższych dystansach, powinna być stosowana kamera termowizyjna o rozdzielczości obrazu co najmniej 320 × 240 pikseli, a najlepiej 640 × 480 piksel.

Kamera powinna mieć również wymienny obiektyw, dzięki czemu operator może przejść do teleobiektywu podczas obserwacji na dużą odległość, taką jak z helikoptera. Wskazane jest jednak, aby korzystać tylko z teleobiektywów kamer termowizyjnych, które mają wysoką rozdzielczość obrazu. Niska rozdzielczość kamery termowizyjnej w pomiarach z dużej odległości przy użyciu teleobiektywu nie będzie w stanie odebrać małych szczegółów, które wskazują błędy cieplne paneli słonecznych. Aby nie wyciągnąć fałszywych wniosków należy trzymać kamerę termowizyjną pod odpowiednim kątem podczas inspekcji paneli słonecznych.

Patrząc na to z innej perspektywy

W większości przypadków, zainstalowane moduły fotowoltaiczne mogą być kontrolowane za pomocą kamery termowizyjnej z tylnej części modułu. Metoda ta minimalizuje przeszkadzające odbicia od słońca i chmur. Ponadto, temperatury uzyskane z tyłu mogą być większe, a pomiar jest wykonywany bezpośrednio, a nie przez powierzchnię szkła.

Warunki otoczenia i pomiarów
Podejmując inspekcje termograficzne, niebo powinno być jasne, ponieważ chmury zmniejszają natężenie promieniowania słonecznego, a także powodują zakłócenia przez odbicia. Informacyjne obrazy mogą być jednak uzyskane nawet przy zachmurzonym niebie, pod warunkiem, że używana kamera termowizyjna jest wystarczająco czuła. Pożądane są spokojne warunki, ponieważ każdy strumień powietrza na powierzchni modułu słonecznego powoduje konwekcyjne chłodzenie, a tym samym zmniejsza się gradient temperatury. Niższe temperatury powietrza dają wyższy potencjał kontrastu cieplnego. Dobrym rozwiązaniem jest przeprowadzanie inspekcji termograficznych w godzinach porannych.

Innym sposobem, zwiększenia kontrastu termicznego jest odłączenie komórki od obciążenia, w celu uniemożliwienia przepływu prądu. Następnie, obciążenie jest podłączone, a komórki obserwuje się w fazie nagrzewania.

W normalnych okolicznościach system powinien być sprawdzany w naturalnych warunkach pracy, to znaczy pod obciążeniem. W zależności od typu komórki i rodzaju uszkodzenia lub awarii, pomiary mocy bez obciążenia lub warunków zwarciowych mogą dostarczyć dodatkowych informacji.

Pirwszy obraz termograficzny pokazuje duże obszary o podwyższonej temperaturze. Bez większej liczby informacji nie wiemy czy są to nieprawidłowości termiczne czy cień lub refleksje. Kolejny termogram ukazuje tył modułu solarnego, obraz wykonany kamerą FLIR P660. Wizualny obraz tej sytuacji jest pokazany na kolejnym zdjęciu.

Błędy pomiaru
Błędy pomiaru wynikają przede wszystkim ze złego ustawienia kamery oraz panujących warunków otoczenia i pomiarowych.

Typowe błędy pomiarowe są spowodowane:

• zbyt płytkim kątem widzenia

• zmianą natężenia promieniowania słonecznego w czasie (z powodu zmian na niebie)

• odbiciami (np, słońce, chmury, okoliczne budynki o większej wysokości, pomiary set-up)

• częściowym zacienieniem (np. z powodu otaczających budynków lub innych budowli).

Co można zobaczyć w obrazie termicznym
Jeśli części panelu słonecznego są cieplejsze niż w innych miejscach, ciepłe obszary pojawią się wyraźnie w obrazie termicznym. W zależności od kształtu i położenia tych obszarów gorące plamy mogą wskazywać na wiele różnych wad. Jeżeli cały moduł jest cieplejszy niż zwykle może to wskazywać na występujące problemy.

Zacienienia i pęknięcia w komórkach pojawiają się jako gorące plamy lub wielokątne plamy w obrazie termicznym. Wzrost temperatury z komórki lub części komórki wskazuje na uszkodzoną komórkę lub zacienienia. Obrazy termiczne uzyskane pod obciążeniem, bez obciążenia oraz w warunkach zwarcia powinny być porównywane. Porównanie obrazów termicznych przednich i tylnych powierzchni modułu może dać cenne informacje. Oczywiście, dla prawidłowej identyfikacji awarii, moduły wykazujące anomalie muszą być testowane elektrycznie i poddane oględzinom.

Wnioski
Kontrola termowizyjna systemów fotowoltaicznych pozwala szybko lokalizować ewentualne uszkodzenia na poziomie komórek i modułów, jak również wykrycie ewentualnych problemów wzajemnych połączeń elektrycznych. Kontrole są przeprowadzane w normalnych warunkach pracy i nie wymagają zamykania systemu.

Dla prawidłowych i informacyjnych obrazów termicznych, obowiązują określone zasady i procedury pomiarowe:

• powinna być stosowana kamera termowizyjna z odpowiednimi akcesoriami;

• wymagane jest natężenie promieniowania słonecznego (co najmniej 500 W / m2 ; preferowane powyżej 700 W / m2);

• kąt widzenia musi być w bezpiecznym przedziale ( 5 ° - 60 °);

• należy zapobiegać zacienieniom i odbiciom

Kamery termowizyjne są wykorzystywane przede wszystkim do zlokalizowania usterki. Klasyfikacja i ocena wykrytych nieprawidłowości wymaga dogłębnego zrozumienia techniki solarnej, znajomości systemu kontroli i dodatkowych pomiarów elektrycznych. Właściwa dokumentacja jest oczywiście koniecznością i powinna zawierać wszystkie warunki kontroli, dodatkowe pomiary i inne istotne informacje.

Kontrole z kamery termowizyjnej – począwszy od kontroli jakości w fazie instalacji, kolejne regularne kontrole - ułatwiają proste monitorowanie stanu systemu. Pomaga to w utrzymaniu funkcjonalności paneli słonecznych i przedłuża ich żywotność. Za pomocą kamer termowizyjnych do kontroli kolektorów słonecznych można zdecydowanie przyspieszyć zwrot z wykonanej inwestycji.

Tabela 1: Lista typowych błędów modułu (Źródło: ZAE Bayern eV "Überprüfung der qualität von Photovoltaik- Modulen Infrarot-Aufnahmen mittels" ["Badania jakości w modułów fotowoltaicznych przy użyciu obrazowania w podczerwieni"], 2007)

FLIR CM83 to przemysłowy miernik cęgowy posiadający funkcje służące do analizy i filtracji. Jest on przeznaczony dla napędów sterowanych.

• Tryb VFD zapewnia najwyższą dokładność pomiarów, które są prowadzone na urządzeniach sterowanych VFD.

• Zaawansowana wydajność mocy i elementów harmonicznych do analizy pomiarów na poziomie systemowym.

• Wydajna, duża lampa umożliwia łatwość pomiaru, ale również może służyć jako podstawowe źródło światła przy pracy.

• Opcja FLIR Tools Mobile łączy FLIR CM83 poprzez Bluetooth z kompatybilnym tabletem, bądź smartfonem *

• Technologia METERLiNK® łączy bezprzewodowo pomiary elektryczne z obrazami w podczerwieni z kamer termowizyjnych obsługujących technologię FLIR.