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AMSEL Anlagendiagnostik und Modulanalyse basierend auf Standard-Charakterisierungsverfahren und neu entwickelten Messverfahren

Um die Photovoltaik gegenüber fossiler Stromerzeugung wettbewerbsfähig zu machen, ist eine rasche und stetige Kostenreduktion bei gleichzeitiger Effizienzerhöhung notwendig. Das kann einerseits durch verbesserte Konzepte und Herstellprozesse für Solarzellen sowie weitere Modulkomponenten erreicht werden, jedoch auch durch bessere Wartung und Fehlerminimierung bei Bestandsanlagen. Dafür müssen auch neuartige bildgebende Verfahren zur Charakterisierung von Solarzellen, Modulen und Anlagen (z.B. IR-Thermographie, Elektrolumineszenz, UV-Fluoreszenz) entwickelt und angewandt werden.

Schon kleine Defekte einer Solarzelle in einem Modul einer Anlage können beträchtliche Auswirkungen auf den gesamten Ertrag der Anlage haben. Um den Ursachen mittel- bis langfristig auf den Grund gehen zu können, werden bisher unterschiedliche Methoden zum Modul- oder Anlagenmonitoring eingesetzt, die oft kostspielig, zeitintensiv und aufwändig sind. Diese Verfahren ermöglichen zwar die Feststellung einer Leistungsminderung, sie liefern aber kaum Aussagen über die Fehlerquelle. Die Ursachenfindung ist jedoch gerade im Falle von Mittel- und Großanlagen sehr wesentlich. Hier können Haftungsfragen zwischen Modulhersteller, Anlagenplaner, Errichter und Erhalter relevant werden.

 

Für die genauere Fehleranalyse mussten bisher die defekten Module aus der Anlage entfernt und in ein Labor gebracht werden, was mit einigen Nachteilen verbunden ist:

- Demontage einzelner Module ist personal- und zeitintensiv.

- Beschädigungen beim Transport möglich.

- Bei gebäudeintegrierten Anlage ist eine Demontage eines „Moduls“ nicht immer möglich.

- Ersatzmodule werden benötigt.

 

Darstellung der geplanten Ziele und der gewählten Methode zur Zielerreichung.

Ziel des Projektes AMSEL ist es, vorhandene Indoor-Analyseverfahren für den Feldeinsatz zu adaptieren bzw. neue Analyseverfahren zu entwickeln, die eine schnelle und kostengünstigere Outdoor-Analyse ermöglichen.

Folgende Analyseverfahren sollen erforscht werden:

  • Die Lock-In Thermographie soll zur Verwendung im Outdoor Bereich adaptiert werden. Ein Lastwechsel soll die Visualisierung von Defektstellen mit einer Ortsauflösung von Millimetern ermöglichen.
  • Die EL-Inspektion unter freien Himmel. Detektion elektrisch nichtkontaktierten Fragmente der Zellen und Inhomogenitäten im Stromfluss sind mit sehr hoher Präzision zu erkennen.
  • Die Outdoor UV-Fluoreszenz ist ein neues Verfahren, das eine Schädigung der polymeren Einkapselung, oftmals ausgelöst durch Defekte in Zellen (Risse, Mikrocracks, Hotspots) vor Ort möglich macht.

 

Darstellung der angestrebten Ergebnisse und Erkenntnisse

Im laufenden Projekt PAMINA ist das Projektziel die Entwicklung von Methoden zur systematischen Photovoltaik-Anlagenanalyse nur auf der Basis von Infrarot-Thermographie (IR). Erste Rückschlüsse auf Ertragseinbußen und das Langzeitverhalten sind bereits möglich.

Im Folgeprojekt AMSEL wird durch die Entwicklung von neuen Messverfahren die Fehleranalytik weiter verbessert und vereinfacht, und damit auch langfristig der Ertrag und die Zuverlässigkeit von PV-Anlagen erhöht. Die neuen Outdoor-Analyseverfahren, die im AMSEL Projekt entwickelt werden sollen und zum großen Teil noch nicht im Einsatz sind, würden eine direkte vor Ort Analyse der Module ermöglichen, Transportkosten und -schäden vermeiden und eine raschere Diagnostik erlauben. Zusätzlich zu den enormen Zeiteinsparungen sind die vor Ort Analysenmethoden voraussichtlich kostengünstiger als existierende Verfahren.

Ausgangssituation

Im Vorgängerprojekt PAMINA war das Projektziel die Entwicklung von Methoden zur systematischen Photovoltaik-Anlagenanalyse nur auf der Basis von Infrarot-Thermographie (IR). Erste Rückschlüsse auf Ertragseinbußen und das Langzeitverhalten waren bereits möglich.

Im AMSEL wird durch die Entwicklung von neuen Messverfahren die Fehleranalytik weiter verbessert und vereinfacht, und damit auch langfristig der Ertrag und die Zuverlässigkeit von PV-Anlagen erhöht. Die neuen Outdoor-Analyseverfahren, die im AMSEL Projekt entwickelt werden sollen und zum großen Teil noch nicht im Einsatz sind, würden eine direkte vor Ort Analyse der Module ermöglichen, Transportkosten und -schäden vermeiden und eine raschere Diagnostik erlauben. Zusätzlich zu den enormen Zeiteinsparungen sind die vor Ort Analysenmethoden voraussichtlich kostengünstiger als existierende Verfahren.

Projektverlauf

Photovoltaik ist eine der Kerntechnologien zur Erreichung der notwendigen CO2-Reduktionsziele in der österreichischen und europäischen Stromaufbringung. Trotz der technologischen Fortschritte und sehr hohen Zuverlässigkeit der Komponenten haben Photovoltaik-Anlagenbetreiber z.T. mit Betriebsstörungen zu kämpfen, die kurz- oder langfristig Stromertragseinbußen verursachen und dazu führen können, dass die prognostizierten wirtschaftlichen Erträge, aber auch prognostizierte CO2 Reduktionen, nicht erzielt werden können. Dabei bedingt die spezielle Struktur von Photovoltaikanlagen – eine Vielzahl von Photovoltaik-Zellen sind in Serie verschaltet – dass schon Störungen eines sehr kleinen Teils der Anlage große Auswirkungen auf den gesamten Ertrag haben können, ohne dass die Ursache einfach lokalisiert werden kann. Um den Ursachen mittel- bis langfristig auf den Grund zu gehen, stehen verschiedene Methoden zum Modul- oder Anlagendiagnostik zur Verfügung. Doch diese Methoden sind oft kostspielig, zeitintensiv, und sehr aufwändig in der Installation, Wartung und v.a. Auswertung und Interpretation der Messergebnisse. Diese Methoden ermöglichen es festzustellen, dass eine Leistungsminderung vorliegt. Sie bringen aber so gut wie nie Aussagen über die Auslöser, obwohl die Ursachenfindung gerade im Falle von Mittel- und Großanlagen eine sehr wichtige ist. Da hier Haftungsfragen zwischen Modulhersteller, Anlagen-Planer, -Errichter und -Erhalter tragend werden können.

Typischerweise werden hierfür Module aus der Anlage entfernt, und in ein Labor (z.B. AIT oder OFI) gebracht, um die genaue Fehlerursache festzustellen.

Dies ist einerseits nicht immer möglich und andererseits oftmals mit Problemen verbunden:

  • Die Demontage einzelner Module aus einer Anlage ist sehr personalintensiv (etwa Faktor zwei- bis dreimal höher als bei der Errichtung).
  • Der Transport zum Labor kann weitere Beschädigungen am Modul verursachen, die im Labor oftmals nicht unterscheidbar zu bereits vor dem Transport existierenden Fehlern sind.
  • Im Falle einer gebäudeintegrierten Anlage ist eine Demontage eines Moduls vielfach gar nicht möglich.
  • Der Anlagenteil, der aus dem Module entnommen wurde, benötigt umgehend Ersatzmodule, ohne die sonst zusätzliche Ertragsverluste während der Analyse verursacht werden.
  • Zusätzlich verlängert sich transportbedingt die Zeit bis zur Ursachenfindung beträchtlich.

 

Eine schnelle und kostengünstigere Analyse im Feld wäre daher vordringlich, um die Fehleranalyse im Feld verbessern und beschleunigen zu können.

Die Wärmebildmethode (Thermographie)  ist ein sehr wertvolles Werkzeug, um bei großen Anlagen, bei denen es noch keine deutlichen Ertragsverluste gibt, ortsaufgelöste Informationen über vorhandene sowie im Entstehen begriffene Defekte zu erhalten. Thermographie ist einerseits bezüglich der Wetterbedingungen nur eingeschränkt einsetzbar und anderseits sind mit dieser Methode eine Anzahl von Schadensbildern (z.B. Zellbrüche oder Polymerdegradationen) nicht identifizierbar. Thermographie kann nicht alle Bedürfnisse bei der Identifizierung und Diagnose von Modulfehlern abdecken. Deshalb müssen neue Messverfahren entwickelt werden, die auf anderen physikalischen Messgrößen/Verfahren basieren und auch Schädigungen auf Zellbasis wie z.B. Mikrorisse oder Degradationen in der polymeren Einkapselung detektieren können. Die Methoden sollen zusätzlich witterungsunabhängig, kostengünstig, zerstörungsfrei und schnell sein, um die vorhandenen Defekte in PV-Modulen vor Ort noch besser und z.T. mit höherer Genauigkeit analysieren zu können.

Im PAMINA Projekt konnten bereits durch die halbautomatisierte Erfassung, systematische Korrektur und Auswertung der IR-Aufnahmen (auf der Grundlage von Anlagendaten), Ertragseinbußen bei kristallinen Modulen abgeschätzt werden. Im Folgeprojekt AMSEL sollen außerdem auch IR-Aufnahmen von schwer zugänglichen Anlagen (Dachanlagen, GIPV), mithilfe von Flugaufnahmen, möglich werden. Des Weiteren sollen ein Vergleich und eine Evaluierung von Dunkelthermographie und Hellthermographie-Aufnahmen mit den Verfahren der Lock-In Thermographie durchgeführt und eine automatische Auswertung und Analyse von Fehlern möglich gemacht werden.

Die neuen Outdoor-Analyseverfahren, die im AMSEL Projekt entwickelt werden sollen, würden eine direkte vor Ort Analyse der Module erlauben, Transportkosten und –schäden vermeiden und rasche Analysenergebnisse erlauben. Zusätzlich zu den enormen Zeiteinsparungen sind die vor Ort Analysenmethoden auch kostengünstiger als alle herkömmlichen Verfahren.

Meilensteine
1 Kick-Off
2 Projektabschluss
3 Outdoor EL Methodenentwicklung
4 Automatisiert Analysetool (Bruchanalyse)
5 Inddor IR-Lock-In Thermographyie - Methodenentwicklung
6 Outdoor IR-Lock-In Thermographie - Methodenentwicklung
7 Indoor UV-Fluoreszenz - Methodenentwicklung
8 Outdoor UV-Fluoreszenz - Methodenentwicklung
9 Multicopter Testflug und Auswertung der Ergebnisse
10 GIPV-Tauglichkeitstest der neuen Analyseverfahren
11 Testen der neuen Analyseverfahren im Feld
Ergebnisse

Die im Förderantrag gesteckten Ziele wurden für den Berichtszeitraum erreicht. Die Abwicklung des Projektes erfolgt wie geplant auf Basis der festgelegten Arbeitspakete (Gantt-Diagramm,  Milestone und Deliverables).

 

Im AP1 „Projektmanagement und Dissemination“ wurde die Leitung und Koordination des kooperativen Projektes für den ordnungsgemäßen Einsatz der Ressourcen und die vertragsgemäße Abwicklung zur Erreichung der Projektziele durchgeführt. Weiters haben im zweiten Projektjahr zwei Konsortialmeetings und vier AP-LeiterInnen-Treffen stattgefunden.

Bereits im ersten Projektjahr wurde die geplante Zahl der Publikationen, mit elf Beiträgen, bei weitem übertroffen. Im zweiten Projektjahr, dem Berichtszeitraum gab es acht Veröffentlichungen, es wurde ein Workshop mit dem Thema: „UV-luminescence imaging of fielded PV-modules“ sowie ein Webinar (am 27.01.2017) mit dem Titel: „UV-fluorescence analysis and comparison with other optical characterization methods“ abgehalten. Abstracts für weitere Konferenzen im Jahr 2017 wurden ebenfalls eingereicht.

Am AIT wurde auch eine Diplomand, Paul Dreher, eingestellt, der sich für Arbeitspaket 6 mit dem Thema: „Semi-automatic documentation of photovoltaic plant inspections using GPS and IMU modules through Kalman filtering“ beschäftigt.

 

Im AP2 „Elektrolumineszenz“ wurden bereits im ersten Berichtsjahr Soft- und Hardware entwickelt, die Elektrolumineszenz-Aufnahmen auch bei Streulicht ermöglichen. Dies war nötig, um in weiterer Folge Outdoor in der Nacht, bei Mondschein bzw. urbaner Beleuchtung, ebenfalls Analysen durchführen zu können. Es konnten bereits im ersten Projektjahr erste Messungen bei Dämmerung im Freien durchgeführt werden. Die Outdoor EL-Messungen und die Auswertungen wurden im zweiten Projektjahr weiter optimiert. Es wurden bereits Messungen bei Mondschein, urbaner Beleuchtung sowie kompletter Dunkelheit problemlos durchgeführt.

Deliverables:

Das Deliverable „D2.2: Ansteuerungselektronik“ wurde bereits abgeschlossen, „D2.3: Softwareentwicklung“ wie geplant zu 90% abgeschlossen, sowie „D2.4: Digitale Bildverarbeitung“ wie geplant 80% erreicht.

 

Im AP3 „Lockin-In Thermographie“ konnte im ersten Projektjahr Soft- und Hardware entwickelt werden, welche es ermöglicht, Indoor Lock-In Thermographie durchzuführen. Im zweiten Projektjahr wurde diese Hardware Outdoor-tauglich gemacht. Die erreichte Orts- als auch Temperaturauflösung bei LockIn-Thermografie-Aufnahmen (LIT) ist etwa eine Dekade besser, als es bei Standard-Thermographie-Aufnahmen (IR) üblich ist. Dadurch können speziell bei innovativen Dünnschicht-Modulen Fehlstellen sehr gut erkannt werden. Dies ist insbesondere Outdoor für Gebäudeintegration sehr nützlich.

        

Deliverables:

„D3.1: Indoor IR-Lock-In Aufnahme (Modul)“ kann wie geplant als abgeschlossen betrachtet werden und damit die davon abhängigen Deliverables: „D3.3: Softwareentwicklung zur Analyse der Bild-Zeitreihen“, „D3.4: Hardwareentwicklung der Elektronik zur Ansteuerung des Modulzustandes“, sowie „M3.1: Indoor IR-Lock-In Thermographie – Methodenentwicklung“.

Das Deliverable „D3.2: Outdoor IR-Lock-In Aufnahme (Modul)“ ist zu 70% abgeschlossen.

 

Im AP4 „UV-Fluoreszenz“ wurden im ersten Projektjahr am AIT Soft- und Hardware entwickelt, um hochqualitative Aufnahmen von UV-Fluoreszenz anzufertigen. Es wurden mit Modulen aus Altbeständen vom AIT als auch OFI, Indoor Messungen durchgeführt, und viele neue Auffälligkeiten entdeckt. Für UV-Fluoreszenzspektroskopiemessungen wurde ein geeignetes Setup zusammengestellt und erste Testmessreihen durchgeführt.

Im zweiten Projektjahr wurde die Soft- und Hardware für Indoor- und Outdoor-Messungen von UV-Fluoreszenz-Imaging und -Spektroskopie Messungen fertig entwickelt und hinsichtlich geeigneter Strahlungsquellen und Messabläufe optimiert. Es wurden bereits Outdoor UV-Fluoreszenz-Aufnahmen durchgeführt und analysiert.

 

Bei diesem Verfahren ist es von Vorteil, dass keine Veränderungen der Modulmontage bzw. des elektrischen Kreises nötig ist. Es muss nur die Beleuchtung und die Kamera vor dem Modul vibrationsfest montiert werden. Damit ist dieses Verfahren für gebäudeintegrierte Anlagen ebenfalls sehr wertvoll.

 

Deliverables:

„D4.1: Indoor UV-Fluoreszenz Aufnahmen“ konnte planmäßig abgeschlossen werden. Mit den Outdoor UV-Messungen wurden im zweiten Projektjahr begonnen („D4.2: Outdoor UV-Fluoreszenz Aufnahmen“). Im dritten Projektjahr sind weitere UV-Fluoreszenz Aufnahmen geplant. Die Software zum Verarbeiten von UV-Aufnahmen wurde entwickelt („D4.3: Softwareentwicklung“). Ein spektroskopisches Scanning Setup konnte mit etwas Verzögerung entwickelt werden („D4.4: Hardwareentwicklung des Scanning Setups und des Outdoor-Tools“). Der Milestone „M4.1: Indoor UV-Fluoreszenz“ wurde erreicht. Der Milestone „M4.2: Outdoor UV-Fluoreszenz – Methodenentwicklung“ wurde bereits abgeschlossen.

 

Im AP5 „Verfahrensanalyse“ soll nach Erreichen der Outdoor-Tauglichkeit der Methoden aus den vorherigen APs die damit auffindbaren Inhalte verglichen werden, sowie die Tauglichkeit bei Messungen im Falle von Gebäudeintegration bestimmt werden.

 

Deliverables:

Seit dem ersten Projektjahr werden durch die Methoden laufend erkennbare Fehler gesammelt („D5.2: Fehlerkatalog Ziel:“). Im zweiten Projektjahr wurde mit dem Leitfaden für ein Messverfahren („D5.1: Leitfaden für Messverfahren“) und dem Testen der GIPV-Tauglichkeit der Verfahren (für „D5.3: Bericht: GIPV-Tauglichkeit der neuen Messverfahren“) begonnen. Der Abschluss dieser Arbeiten findet wie geplant im letzten Projektjahr statt. Die Milestones „M5.1: Multicopter Testflug und Auswertung der Ergebnisse“, sowie „M5.2: GIPV-Tauglichkeitstest der neuen Analyseverfahren“ werden im dritten Projektjahr abgeschlossen.

 

Im AP6 „Anlagendiagnostik“ soll nach Erreichen der Outdoor Tauglichkeit der Methoden Erfahrungen bei entsprechenden Messungen gesammelt werden. Dazu ist es nötig, entsprechend nützliche PV-Parks zu kennen. Es finden sich derzeit etwa 10 Anlagen in Österreich auf dieser Liste (D6.1: Anlagenliste). Ein Teil der entsprechenden Outdoor-Messungen wird noch im letzten Projektjahr durchgeführt, ebenso „D6.2: Wirtschaftlichkeitsberechnung“, da hierfür die Kenntnis des Aufwands und der Auswirkung der Messverfahren nötig ist.

 

Der Diplomand Daniel Mayrhofer hat mit seiner Arbeit: „Fehlerdetektion bei Photovoltaikmodulen – Anwendung konventioneller und experimenteller Methoden bei bestehenden Anlagen“ die neuen Analyseverfahren bereits erfolgreich testen und vergleichen können.

 

Die halb-automatische Dokumentation von PV-Anlagen Inspektion wird am AIT derzeit von einem Diplomanden (Paul Dreher) durchgeführt.

Steckbrief

Projektnummer
848771
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Rita Ebner, Rita.Ebner@ait.ac.at
Partner
OFI Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik
Ecustodia — Energy Efficiency
ENcome Energy Performance GmbH
Schlagwörter
Photovoltaik IR-Thermographie Outdoor Lock-In-Thermographie UV-Fluoreszenz PV Analyseverfahren Outdoor Elektrolumineszenz
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
05.2015 - 04.2018
Budget
521.363 €