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PAMINA Photovoltaic Performance Analysis Method based on Infra-Red Technology

Die Photovoltaik weist in den letzten Jahren kontinuierlich hohe Zuwachsraten der jährlichen Neuinstallationen auf und übernimmt eine immer wichtigere Rolle im elektrischen Energieportfolio aus erneuerbaren Ressourcen. Photovoltaik-Module sind sowohl in Klein- und Mittelanlagen, als auch in den in Österreich noch seltenen Großanlagen im Einsatz. Das Generatorfeld von Photovoltaik Anlagen besteht aus Strängen von seriell verschalteten PV-Modulen, die wiederum aus einer Serienschaltung einzelner PV-Zellen aufgebaut sind. Deshalb können bereits Leistungseinbußen in einem Teil eines Moduls die Gesamtleistung erheblich beeinträchtigen.

Da eine Fehlerortbestimmung rein aus elektrischen Messgrößen meist nicht möglich ist, stellt die bildgebende Infrarot-Thermographie (IR-Thermographie) schon heute ein wichtiges Hilfsmittel nicht nur bei der Lokalisierung einzelner fehlerhafter Zellen bei der Modulausgangskontrolle, sondern auch für die laufende Qualitätsüberwachung von PV-Anlagen dar. IR-Thermographie ist eine zerstörungsfreie Messmethode, die eine schnelle Aufnahme von Wärmeemissionsverteilungen und daraus abgeleiteten Temperaturverteilungen der Module im Betrieb erlaubt. Allerdings erschweren variierende Betriebsbedingungen und systematische Abweichungen der Messwerte die korrekte Interpretation der IR-Aufnahmen. Die Zusammenhänge zwischen den IR-Daten und damit einhergehenden Leistungsminderungen oder konkret zu erwartenden Ausfällen von Zellen/Modulen sind meist unbekannt.

  • Darstellung der geplanten Ziele und der gewählten Methode zur Zielerreichung.

Durch eine systematische Weiterverarbeitung der „Roh“-Infrarotdaten von PV-Modulen im Feld (Hell-Thermographie) durch die Berücksichtigung zusätzlicher Informationen kann deren Aussagekraft entscheidend verbessert werden, wenn

  • die Aufnahmebedingungen soweit optimiert werden, dass qualitativ hochwertige „Roh“-IR-Daten aufgenommen werden,
  • systematische Fehler korrigiert werden (optische Verzerrungen durch schräge Sicht auf die Module, Verzeichnungen der Optik, winkel- und materialabhängige Emission) und die Daten mit den Informationen zur Anlagenkonfiguration abgeglichen werden,
  • die Informationen aus dem Anlagenmonitoring zum Aufnahmezeitpunkt, wie etwa Umgebungsbedingungen, Einstrahlung und Generatorleistung, benützt werden, um eine standardisiertes Wärmebild zu berechnen, das zusammen mit einer elektrischen und thermophysikalischen Modellierung erlaubt, ortsabhängige      Verlustleistungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen abzuschätzen,     

Methodisch werden die IR-Rohdaten durch Postprocessing-Schritte weiterverarbeitet, indem Zusatzinformationen einfließen, um qualitativ und quantitativ bessere Aussagen zu erzielen.

Aus den so aufbereiteten und weiterverarbeiteten Thermographiedaten sind, zusammen mit den Erkenntnissen aus Laboruntersuchungen, fehlerhafte Zellen, Module und Stränge viel exakter als bisher diagnostizierbar, und die Konsequenzen für die Anlagensicherheit und aktuelle und potentielle Ertragsausfälle abschätzbar.

  • Darstellung der angestrebten Ergebnisse und Erkenntnisse

Ziel des Projekts war ein Methodenportfolio, das die IR-Thermographiedaten so weiterverarbeitet, dass

  • standardisierte Archivierung möglich wird,
  • Fehlerursachen und Konsequenzen für die Anlagensicherheit und Erträge  quantitativ zuverlässig abgeschätzt werden können, und damit eine
  • sachlich und wirtschaftlich fundierte Entscheidungsbasis für die Betriebsführung zu schaffen, ob/wann ein Tausch von Komponenten sinnvoll/erforderlich ist, um eine optimale Leistungsfähigkeit der PV-Anlagen zu gewährleisten.

Die Methoden, die im Projekt erarbeitet wurden, erlauben eine verbesserte Interpretation der Messergebnisse von IR-Thermographie, und können quantitative Aussagen liefern, die langfristige Qualitätssicherung der PV-Anlagen erleichtern, und damit Ertragsausfälle minimieren.

Ausgangssituation

Die von Jahr zu Jahr stark steigende Zahl und Größe neuinstallierter Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) wird zu einer immer wichtigeren und zuverlässigen Form der Bereitstellung elektrischer Energie.

Das Generatorfeld von PV-Anlagen besteht aus Strängen von seriell verschalteten PV-Modulen, die wiederum aus einer Serienschaltung einzelner PV-Zellen aufgebaut sind. Pro Megawatt installierter Leistung sind beispielsweise 5000 Module à 200 W erforderlich. Eine hohe Zuverlässigkeit der einzelnen PV-Module ist gefordert, da diese seriellen Strukturen bedingen, dass Störungen, die nur einen kleinen Teil, bzw. nur eine kleine Fläche des gesamten PV-Generators betreffen, große Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems haben können. Aus den Betriebsergebnissen und Daten eines Anlagen-Monitorings sind hinreichend große Störungen erkennbar, aber die konkrete Ursache und der Ort des Problems kann – wenn überhaupt - meist nur grob eingegrenzt werden. Geringe Leistungsreduktionen bleiben häufig unerkannt, bzw. werden erst später bemerkt.

Die Infrarot-Thermographie (IR-Thermographie) an Photovoltaik Anlagen, d.h. die ortsaufgelöste Darstellung von Temperaturwerten, die auf der temperaturabhängigen Emission von Infrarotstrahlung beruhen, ist eine wichtige Methode zur Qualitätssicherung und Fehleranalyse. Sie bietet die Möglichkeit, Abweichungen in der Temperatur von Teilen des PV-Generators bis hin zu Teilen einer einzelnen Zelle zu erkennen.

Projektverlauf

Die Entwicklung von neuen Messverfahren kann die Fehleranalytik weiter verbessern und vereinfachen  und damit auch langfristig der Ertrag und die Zuverlässigkeit von PV-Anlagen erhöhen. Im Projekt PAMINA wurden erfolgreich neue Analysetools, für die Indoor-Anwendung entwickelt und getestet. Die Weiterentwicklung dieser Analysetools zu Outdoor-Analyseverfahren, die zum großen Teil noch nicht im Einsatz sind, würde eine direkte vor Ort Analyse der Module ermöglichen, Transportkosten und Schäden vermeiden und eine raschere Diagnostik erlauben. Zusätzlich der Zeiteinsparung sind die vor Ort Analysenmethoden voraussichtlich kostengünstiger als existierende Verfahren.

Meilensteine
1 Elektrisches Netzwerkmodell
2 Simulation von Fehlerfällen mit dem Netzwerkmodell
3 Kick-Off - Definition des ersten Aufnahmeporfolios
4 Trendanalyse des ersten Aufnahmeprotfolios und Definition der weiterführenden Aufnahmen abgeschlossen
5 Erforderliche Gesamtdaten sind vorhanden
6 Vermessung der Infrarotkameras
7 Histogramm-Shapes von bekannten Fehlerfällen abstrahiert
8 Histogramm-basierte Analyse von Bildern und Zuordnung zu Fehlerfällen
9 Erstellung einer Korrelation der Fehlerursachen mit Auffälligkeiten in den Thermographie-Bildern
10 Abschätzung, ob die Mehtode der Wärmequellenauswertung praktikabel ist
11 Berechnungsmethode zum wirtschafltichen Modulaustausch
Ergebnisse

Die Entwicklung von Methoden zur systematischen Photovoltaik-Anlagendiagnostik auf der Basis von Infrarot-Thermographie (IR), die schnell anwendbar ist, zerstörungsfrei arbeitet, und geeignet ist für den Einsatz bei PV-Anlagen jeder Größe und unterschiedlicher Modul-Technologien, stand im Fokus des Projektes. Methodisch wurden die IR-Rohdaten aus dem Anlagenmonitoring bestehender Anlagen durch Postprocessing-Schritte weiterverarbeitet, mit Zusatzinformationen ergänzt, um qualitativ und quantitativ bessere Aussagen zu erzielen. Aus den so aufbereiteten und weiterverarbeiteten Thermographiedaten wurden – zusammen mit den Erkenntnissen aus Laboruntersuchungen – fehlerhafte Zellen, Module und Stränge viel exakter als bisher diagnostizierbar, und die Konsequenzen für die Anlagensicherheit und aktuelle und potentielle Ertragsausfälle abschätzbar. Mittels der im Projekt entwickelten graphischen Fehlererkennung und Korrektur von optischen Fehlern konnte die Fehleranalyse von Modulen/Anlagen vereinfacht und beschleunigt und die Notwendigkeit eines Modulaustausches abhängig von der Wirtschaftlichkeit besser ermittelt werden.

Steckbrief

Projektnummer
838634
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Rita Ebner, Rita.Ebner@ait.ac.at
Partner
OFI Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik
ENcome Energy Performance GmbH
Ing. Andreas Angerer e.u. (Angerer)
Schlagwörter
Photovoltaik Infrarot-Technologie Modul-Charakterisierungsverfahren
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
04.2014 - 03.2015
Budget
316.977 €