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)

W ramach wielu projektów charytatywnych np. dla potrzebujących rodzin rumuńskich ArcelorMittal opracował rozwiązania oparte na konstrukcji domów ze stali. Domy muszą być proste, bezpieczne, przyzwoite, a przede wszystkim dobrze izolowane. To waśnie tam kamera termowizyjna FLIR odgrywa bardzo ważną rolę. Specjaliści w zakresie badań i rozwoju ArcelorMittal Liège wykorzystują kamery termowizyjne FLIR w celu optymalizacji tego rozwiązania mieszkaniowego.

Ponad 1,1 miliarda ludzi na całym świecie żyje w nieodpowiednich warunkach mieszkaniowych. Centrum Narodów Zjednoczonych dla Osiedli Ludzkich (UNCHS) szacuje, że istnieje potrzeba stworzenia 21 milionów nowych mieszkań każdego roku. Jedną z organizacji, która zajmuje się rozwiązaniem tego problemu jest Habitat for Humanity. Ich celem jest budowanie prostych, przyzwoitych i niedrogich domów na całym świecie. ArcelorMittal postanowił pomóc Habitat for Humanity w osiągnięciu tego celu poprzez zastosowanie rozwiązań opartych na konstrukcji ze stali dla potrzebujących rumuńskich rodzin.

ArcelorMittal jest największym na świecie producentem stali w ponad 60 krajach, działający we wszystkich głównych światowych rynkach stalowych - włączając rynek samochodowy, budowlany, artykułów gospodarstwa domowego oraz opakowań. Zajmuje wiodącą pozycję w dziedzinie badań i rozwoju oraz technologii, jak również posiada znaczne złoża surowców i sieć dystrybucji.

"Dobry Dom"

W trakcie trzech miesiący rozwoju powstał prototyp o nazwie "Casa Buna", co w języku rumuńskim oznacza "Dobry Dom". Ten prototyp składa się z dwupiętrowego domu dla czterech rodzin, który został łatwo skonstruowany przez niewykwalifikowanych lub pół-wykwalifikowanych wolontariuszy i ma żywotność co najmniej 20 lat. Model ten wykorzystuje uproszczoną metodę projektowania dla lekkich konstrukcji stalowych, który został opracowany przez ArcelorMittal Liège Research w Belgii.

Prototyp został zbudowany w zakładzie ArcelorMittal w Pantelimon, w Bukareszcie. Wykorzystuje on lekką konstrukcję ramową ze stali, stalowy system odprowadzania wody deszczowej i okładzinę elewacyjną stalową z pomalowanej części walcowanej.

Domy mają być przyjazne dla środowiska, gdyż wyniki konstrukcji stalowej mają bardziej trwałą strukturę, która jest bardziej trwała niż w innych modelach o podobnej cenie. Mogą być również łatwo zdemontowane, rozebrane i prawie wszystkie materiały można poddać recyklingowi. Domy te są odporne na trzęsienia ziemi i zgodne z europejskimi normami odporności na ogień.

Szczegółowea kontrola termograficzna

ArcelorMittal poszukuje także modelu, który będzie energooszczędny ze względów ekologicznych i ekonomicznych, ale również, musi zapewnić komfort biorąc pod uwagę fakt, że temperatura na zewnątrz w Rumunii może spaść do -20 °C. Prototyp musiał zostać dokładnie sprawdzony. To było zadanie Franciszka Lamberga, eksperta termografii w ArcelorMittal Liège Research.

 "Tu, w Centrum Badawczym w Liège używamy kamery termowizyjnej podczas budowy do prób izolacji, ale także dla testów ścinania w warunkach laboratoryjnych."

Kamerę termowizyjną Lamberg wykorzystywał do audytu energetycznego prototypu Casa Buna - była to kamera termowizyjna FLIR S65 .

"Używam tego aparatu regularnie i to naprawdę świetne narzędzie do audytów energetycznych. Urządzenie jest lekkie, kompaktowe, łatwe w użyciu i zapewnia dokładnie te dane, które są potrzebne do tego typu kontroli. "

Wiodąca w branży jakość obrazu i funkcje specjalne

Kamera termowizyjna FLIR S65 zawiera detektor mikro-bolometryczny, który wytwarza obrazy termiczne o rozdzielczości 320 x 240 pikseli. Obecnie FLIR Systems nie sprzedaje tego modelu aparatu. Został on zastąpiony przez kamerę termowizyjną FLIR B660 o rozdzielczości 640 x 480, o czułości poniżej 30 mK (0,03 ° C). Najlepsza termowizja oferuje nowoczesną technologię, czyli geo-odniesienie, komentarze, funkcja nagrywania głosu i obrazu termalnego w obrazie. To wszystko zawiera najlepsza kamera termowizyjna służąca do inspekcji budowlanych na rynku. Jednak audyty energetyczne wymagają więcej niż tylko dobrago aparatu do badań termograficznych.

"Potrzeba odpowiedniego szkolenia i dobrego oprogramowania. Bez odpowiedniego treningu można bardzo łatwo wyciągnąć fałszywe wnioski. Oprogramowanie ma również kluczowe znaczenie, ponieważ pozwala analizować dane termiczne w najdrobniejszych szczegółach. "

Wady izolacji

Dane termiczne zebrane przez Lamberga wykazały, że prototyp miał kilka początkowych wad konstrukcyjnych izolacji. Lamberg udowodnił, że w ramach okiennych oraz w wewnętrznych ścianach działowych wykonanie izolacji było niedoskonałe.

"Znaleźliśmy kilka mostków termicznych w trakcie kontroli. Mostek termiczny jest to obszar o mniejszej izolacji. Ciepło podąża drogą najmniejszego oporu. Często ciepło powoduje "zwarcie" przez element, który ma znacznie wyższą przewodność niż otaczający go materiał. Jest to tak zwany mostek termiczny ".

Na szczęście problemy z izolacją łatwo było rozwiązać.

"Po uwzględnieniu zmian została stworzona nowa wersja. Po powtórnej kontroli kamery termowizyjne wykazały, że nowy prototyp nie wykazywał żadnych mostków termicznych".

Lamberg jest bardzo zadowolony ze wsparcia FLIR. Jakość aparatu, obsługa posprzedażowa – ten cały pakiet oferuje właśnie FLIR.

"Kamera termowizyjna FLIR S65 jest nadal używana  przez Lamberga i doskonale się sprawdza. Ale jeśli Lamberg będzie potrzebował dodatkowej kamery termowizyjnej, jego wybór dostawcy aparatu będzie oczywisty. To będzie FLIR. "

MIERNIK WILGOTNOŚCI FLIR MR277

MSX® KAMERA IR I HIGROMETR

FLIR MR277 jest dokładnym, łatwym w użyciu, uniwersalnym narzędziem do szybkiego lokalizowania wilgoci i problemów z budynkiem. Ten profesjonalny miernik wilgotności łączy zalety pomiaru w podczerwieni (IGM™) z obrazowaniem dynamicznym FLIR (MSX®) i zaawansowanymi czujnikami środowiskowymi, co pozwala na szybkie lokalizowanie, identyfikację i dokumentowanie problemów. Zintegrowany bezpinowy czujnik wilgotności zapewnia szybkie, nieinwazyjne pomiary, które można następnie potwierdzić przy użyciu zewnętrznej sondy pinowej. Funkcje takie jak wbudowany higrometr i wymienny czujnik temperatury/wilgotności względnej przyspieszają rozwiązywanie problemów, a funkcja METERLiNK® pozwala łączyć się z urządzeniami mobilnymi i przesyłać dane do aplikacji FLIR Tools® w celu raportowania wyników.

 >> Pobierz kartę techniczną miernika FLIR MR277

 Bezpośredni dystrybutor FLIR MR277 w Polsce: IBROS TECHNIC +48 12 3767051