Kamery termowizyjne, a pomiary instalacji fotowoltaicznych

W związku ze stale rosnącą liczbą instalacji PV, niezwykle ważne jest prawidłowe i profesjonalne podejście do kwestii ich przeglądów. O konieczności sprawdzania instalacji PV pod względem bezpieczeństwa i efektywności zgodnie z normą 62446 informowaliśmy Państwa w naszej serii artykułów:

• Część 1: Wprowadzenie do badań instalacji PV - Opis dokumentacji, oględzin i przyrządu pomiarowego
• Część 2: Przeprowadzanie testów kategorii 1
• Część 3: Przeprowadzanie testów kategorii 2, dodatkowe testy i tworzenie raportów pomiarowych

W części 3 przytoczonej normy zawarte są kluczowe informacje dotyczące badań modułów i instalacji PV z wykorzystaniem termografii. W niniejszym artykule postaramy się przybliżyć Państwu tematykę badań instalacji fotowoltaicznych właśnie za pomocą kamer termowizyjnych.

Odpowiednie badanie modułów i poprawnie wykonane pomiary instalacji PV są gwarancją ich bezpiecznej i efektywnej pracy. Szybkie wykrycie usterek i uniknięcie większej awarii przekłada się na długą żywotność instalacji i szybszy zwrot inwestycji. Diagnozowanie wykorzystujące termowizję są niezbędne wszędzie tam, gdzie nie jesteśmy w stanie dostrzec problemu gołym okiem, dzięki czemu tego typu badania od lat stosowane są, np. w zakładach produkcyjnych, budownictwie czy przemyśle energetycznym. Nie inaczej jest w przypadku instalacji czy farm PV, w których część poważnych usterek jest niewidoczna. Niewykryte w porę uszkodzenia modułów i ogniw fotowoltaicznych mogą doprowadzić do trwałych uszkodzeń, konieczności ich wymiany, a nawet pożarów zagrażających zdrowiu i życiu.

Norma IEC 62446-3, dotycząca procedury badań modułów i instalacji fotowoltaicznych, opisuje m.in. minimalne wymagania sprzętowe, odpowiednie warunki środowiskowe, procedurę przeprowadzania inspekcji czy przykładowe opisy najczęstszych usterek.

Wymogi dotyczące urządzeń do badania modułów PV

Ze względu na prostą budowę i przystępną cenę najczęściej do zastosowań w fotowoltaice stosowane są kamery termowizyjne oparte na niechłodzonych czujnikach, tzw. mikrobolometrach. Dzięki niewielkim rozmiarom i małemu zużyciu energii, to rozwiązanie jest najczęściej wykorzystywane w przenośnych kamerach termowizyjnych. Niższa czułość mikrobolometrów w porównaniu z czujnikami chłodzonymi jest w pełni wystarczająca do badań instalacji PV.

Najważniejsze cechy kamery termowizyjnej na jakie należy zwrócić uwagę przy wyborze urządzenia:

• Rozdzielczość kamery IR
  Piksele są punktami zbierania danych, które są wykorzystywane do stworzenia obrazu termicznego. Im więcej pikseli, tym większa ilość danych na badanym obszarze, dzięki czemu interpretacja termiczna jest dokładniejsza i obraz ma wyższą rozdzielczość. Wysoka rozdzielczość umożliwia obrazowanie mniejszych szczegółów obiektu, dzięki czemu pomiary są bardziej dokładne. Wraz ze wzrostem rozdzielczości rośnie cena kamery. Jest to parametr szczególnie istotny przy badaniu większych instalacji lub farm fotowoltaicznych.
• Czułość termiczna (NETD, ang. Noise equivalent temperature difference)
  Wartość podawana w mK, określa minimalną różnicę temperatur punktów pomiarowych na obrazie kamery. Im niższa czułość termiczna, tym lepiej.
• Dokładność pomiaru, możliwość ustawienia wartości emisyjności i temperatury odbitej
  Są to parametry niezbędne do uzyskania dokładnych wyników z pomiarów.
• Rozdzielczość ekranu
• Ergonomia: ciężar kamery, rodzaj zasilania
• Interfejs: obsługa kamery, oprogramowanie, tworzenie raportów
• Gwarancja

Tabela 1. Minimalne wymagania sprzętowe kamer termowizyjnych wg normy 62446-3.

Podstawowym parametrem kamery termowizyjnej jest jej rozdzielczość. To w głównej mierze od niej zależy cena zakupu danego urządzenia. Jak widać na podstawie powyższej tabeli, norma nie określa minimalnych wymagań dotyczących rozdzielczości kamery IR. W normie znajduje się jedynie zalecenie do stosowania kamery o rozdzielczości ≥ 320 x 240. Istotnym parametrem jest rozdzielczość optyczna (IFOV), która określa wielkość piksela w mm na obrazie termograficznym. Jest to zmienny parametr zależny od odległości od obiektu w momencie robienia zdjęcia. Przy wyborze odpowiedniej rozdzielczości kamery termowizyjnej pomocne są kalkulatory FOV, np. te przygotowane przez producenta kamer FLIR.

(Źródło: https://flir.custhelp.com/app/fl_download_datasheets)

1. VFOV - pionowe pole widzenia [m]
2. IFOV - chwilowe pole widzenia [mm]
3. HFOV - poziome pole widzenia [m]
4. DOF N - początek głębi ostrości [m]
5. DOF F - koniec głębi ostrości [m]
6. D - odległość od obiektu [m]

Kamera FLIR E5xt, rozdzielczość 160x120

Kamera FLIR E6xt, rozdzielczość 240 x 180

Kamera FLIR E8xt, rozdzielczość 320 x 240

Producent kamer termowizyjnych HIKMICRO podaje parametr IFOV w miliradianach (mrad). Jest to o tyle wygodne, że wystarczy tę wartość pomnożyć przez wymaganą odległość (w metrach) od badanego celu, aby uzyskać rzeczywistą wielkość (w milimetrach) jednego punktu pomiarowego (piksela). Np. dla kamery HIKMICRO B20, o rozdzielczości termicznej 192x256 pikseli i polu widzenia 37,2° × 50,0°, wartość IFOV równa się 3,33 mrad. Oznacza to, że z odległości 1 m, wielkość 1 plamki pomiarowej wyniesie 3,33 mm. Dla odległości 2 m wyniesie 6,67 mm, dla 3 m - 10 mm itd. Powyższe działanie będzie przydatne do określenia maksymalnej odległości, z jakiej można wykonać zdjęcie paneli fotowoltaicznych daną kamerą. Przykłady obliczeń przedstawione są w dalszej części artykułu.

Tabela IFOV kamer termowizyjnych HIKMICRO

Na podstawie powyższych danych widać, że im wyższa rozdzielczość IR kamery, tym niższa wartość chwilowego pola widzenia IFOV. To znaczy, że kamera z niższym IFOV zmierzy ten sam obiekt (powierzchnię) z dalszej odległości, niż model z wyższym IFOV.

Bardziej szczegółowe wymagania dotyczące kamer termowizyjnych do badań i kontroli instalacji PV można znaleźć raporcie Międzynarodowej Agencji Energii (www.iea.org) IEA-PVPS T13-10:2018 - Określono tam minimalne parametry w zależności od klasy kamery.

Tabela 2. Ogólne wymagania dotyczące kamer termowizyjnych (IEA-PVPS T13-10:2018)

Świadectwo wzorcowania kamery termowizyjnej

Niezależnie od wyboru klasy kamery, warunkiem koniecznym jest posiadanie jej aktualnego świadectwa wzorcowania. Jest to wymagane zarówno przez normę 62446-3 jak i raport IEA. Ponowne wzorcowanie kamery powinno odbywać się co roku. Można tego dokonać w laboratorium producenta lub w wyspecjalizowanym laboratorium wzorcującym.

Zobacz naszą ofertę usług wzorcowania kamer termowizyjnych.

Warunki środowiskowe podczas badania instalacji fotowoltaicznych

 
Aby wyniki pomiarów z badania instalacji fotowoltaicznych za pomocą kamery termowizyjnej były poprawne, należy wykonywać je przy określonych warunkach atmosferycznych. Norma 62446-3 określa wymagane warunki kontroli:

Tabela 3. Wymagane warunki kontroli

W razie zmiennych warunków (np. spadku natężenia napromienienia powyżej 10% z powodu chmur) należy odczekać 15 minut, aby ponownie uzyskać warunki pomiaru w stanie ustalonym.

Zachmurzenie większe niż 2 oktanty, tzn. małe lub umiarkowane może spowodować mylące odbicia na modułach w czasie wykonywania zdjęć.

Norma określa również minimalne wymagania dokładności urządzeń pomiarowych warunków atmosferycznych:

Tabela 4. Wymagania sprzętowe do pomiaru warunków środowiskowych.

Najważniejszym czynnikiem jaki należy wziąć pod uwagę podczas badań jest irradiancja, która powinna wynosić minimum 600 W/m² w płaszczyźnie paneli. Niższa wartość promieniowania słonecznego nie pozwoli na szczegółowe wykrycie wad i usterek ogniw.

Procedura kontroli

Standard IEC 62446-3 wyróżnia dwa poziomy jakości przeprowadzanych kontroli instalacji PV z wykorzystaniem kamer termowizyjnych:

a) Kontrola uproszczona - o zmniejszonych wymaganiach w zakresie kwalifikacji personelu. Jest to ograniczona kontrola w celu sprawdzenia podstawowego funkcjonowania modułów i elementów instalacji PV, np. podczas uruchamiania systemu.

b) Kontrola szczegółowa - polegająca na dokładnej analizie termograficznej.
Jest ona stosowana przy rozwiązywaniu zaistniałych problemów z funkcjonowaniem instalacji oraz w czasie okresowych przeglądów.

Niezależnie od rodzaju kontroli, należy ją wykonywać w czasie eksploatacji instalacji PV. Badanie powinno odbywać się w stabilnym stanie termicznym obiektu i przy odpowiednich warunkach środowiska. Zacienienie i zanieczyszczenie paneli powinno być niskie, które nie spowoduje znacznych strat prądu roboczego Impp powyżej 10% (np. przez ptasie odchody, liście lub roślinność). Przed kontrolą zalecane jest wyczyszczenie całej instalacji. Należy pamiętać, że wydajność systemu może ulec zmianie w wyniku czyszczenia. Przed wykonaniem kontroli w podczerwieni należy upewnić się, że moduły są w stanie stabilnym termicznie po oczyszczeniu.

Pierwszym etapem kontroli jest inspekcja wizualna, w której dokonywana jest ocena stanu paneli. Wszystkie nieprawidłowości takie jak zabrudzenia czy uszkodzenia modułów powinny być udokumentowane.

Zasady ogólne wykonywania zdjęć instalacji PV

Odległość

Ważnym czynnikiem ograniczającym wybór odpowiedniej kamery jest odległość jej obiektywu od powierzchni paneli w czasie wykonywania zdjęć. Zbyt duża odległość będzie miała wpływ na dokładność pomiarów i wiarygodność wyników. Warunkiem zalecanym przy wykonywaniu zdjęć jest zachowanie minimalnej wielkości ogniwa fotowoltaicznego na zdjęciu termograficznym ok. 5x5 pikseli.

Aby określić rzeczywisty rozmiar 1 piksela na obrazie termograficznym należy pomnożyć charakterystyczny parametr kamery IFOV przez odległość kamery od modułu PV.

Ogniwa fotowoltaiczne najczęściej mają wymiar ok. 15x15 cm. Z tego wynika, że aby spełnić warunek rozdzielczości optycznej kamery, zdjęcie termograficzne należy wykonać z takiej odległości, w której na 1 piksel przypada ok. 30 mm krawędzi modułu.

Na przykład dla kamery HIKMICRO M30, której rozdzielczość przestrzenna (IFOV) wynosi 1,7 mrad, maksymalna odległość od panelu fotowoltaicznego, z której należy wykonać zdjęcie wynosi 17 metrów:

Kąt widzenia

Zdjęcie termowizyjne powinno być wykonane jak najbardziej prostopadle do powierzchni modułu PV. W idealnym przypadku kąt pomiędzy powierzchnią panelu, a kamerą IR wynosi 90°. Należy unikać wszelkich nagrzanych odbijających się elementów, takich jak słońce, pobliskie budynki czy drzewa, a kąt pomiędzy kamerą a płaszczyzną modułu nie może być mniejszy niż 30°.

Emisyjność

Emisyjność badanego obiektu jest zależna od wielu czynników. Przy badaniu instalacji PV najważniejsze parametry do określenia to: materiał z jakiego wykonany jest dany obiekt, stan powierzchni (np. zabrudzenia) oraz kąt widzenia. Materiały takie jak np. szkło, mają emisyjność na poziomie ε = 0,85. Szkło teksturowane lub o wysokim stopniu zabrudzenia może mieć emisyjność sięgającą nawet do ε = 0,9. Emisyjność szkła zmniejsza się wraz z kątem widzenia, więc przy około 45° emisyjność będzie wynosić około ε = 0,8, a przy 30° może wynosić około ε = 0,75 lub mniej.

Rys. 2. Zależność emisyjności szkła od kąta widzenia.

Analiza

Do poprawnej oceny i analizy z przeprowadzonych badań konieczne są poniższe dane:

• Temperatury maksymalne
• Różnica i zakresy temperatur
• Udokumentowane zachmurzenie
• Prędkość i kierunek wiatru
• Historia i opis usterek i innych nieprawidłowości
• Stan zabrudzenia paneli
• Wynik inspekcji wizualnej
• Irradiancja
• Obciążenie po stronie DC

Pod uwagę należy również wziąć wyniki i zalecenia z poprzedniej kontroli instalacji.

Ocena zdjęć wykonanych kamerą termowizyjną

W sprawnej i nieuszkodzonej instalacji fotowoltaicznej temperatury modułów mogą różnić się o kilka stopni. Wpływ na to mają warunki atmosferyczne (prędkość i kierunek wiatru, zachmurzenie) czy też naturalnie występujący gradient temperatury, który wynika z konwekcyjnego przenoszenia ciepła. Jeśli doszło do uszkodzenia paneli PV, różnice wskazań temperatur mogą sięgać nawet kilkudziesięciu st. C. Taki wynik jest podstawą do dalszej analizy problemu.

Zdjęcia wykonane kamerą termowizyjną mogą w łatwy sposób wykryć miejsca uszkodzeń modułów PV, tzw. hot spoty, czyli gorące ogniwa paneli.

Główne uszkodzenia termiczne występujące w instalacjach fotowoltaicznych to:

• Hot spoty, spowodowane
   - uszkodzeniem mechanicznym szklanej warstwy zewnętrznej
   - miejscowym zacienieniem panelu
   - uszkodzeniami w wewnętrznej warstwie ogniwa fotowoltaicznego
• Przegrzewanie się diod bocznikujących (by-pass)
• Przegrzewanie się zabezpieczeń nadprądowych w skrzynkach przyłączeniowych
• Przegrzewanie się przewodów i złączek po stronie AC i DC

Poniżej znajdują się przykładowe zdjęcia ukazujące najczęstsze usterki modułów i elementów instalacji fotowoltaicznych:

(źródło zdjęć: Raport IEA-PVPS T13-10:2018 “Review on Infrared and Electroluminescence Imaging for PV Field Applications”)

1. Hot spoty spowodowane uszkodzeniem przedniej warstwy szklanej panelu

Rys. 3. Pęknięte przednie szkło modułu PV.

 
2. Hot spoty spowodowane wewnętrznymi usterkami ogniw PV
Te usterki są wynikają najczęściej z błędów przy produkcji lub składowaniu paneli. Wynikiem tego są lokalne zwarcia w ogniwie lub niewystarczający kontakt elektryczny.

Rys. 4. Widok z przodu (po lewej) i z tyłu (po prawej) panelu PV z hot-spotem spowodowanym wewnętrzną usterką ogniwa.

3. Hot spoty spowodowane zacienieniem
Wynikają one z nieprawidłowo pracującego ogniwa - to, które jest zacienione pobiera energię z ogniw sąsiednich. Skutkuje to miejscowym zwiększeniem temperatury, co może prowadzić do trwałego uszkodzenia panelu.
Panele instalacji fotowoltaicznych najczęściej zacienione są pobliskimi budynkami, piorunochronami, masztami, drzewami itp.

4. Przegrzewanie się diod bocznikujących (by-pass)

Rys. 7. Hot spoty spowodowane zacienieniem przez sąsiadujący panel PV.

Jakiej klasy kamery używać?

Wybór odpowiedniej kamery termowizyjnej do pomiarów w fotowoltaice zależy przede wszystkim od wielkości badanej instalacji. Nie da się niestety jednoznacznie określić i wskazać danego typu kamery odpowiedniego do wszystkich zastosowań.

W Polsce znaczną większość (ponad 70% łącznej mocy zainstalowanej w fotowoltaice) stanowią mikroinstalacje o mocy do 50 kW. Do podstawowej kontroli takich systemów wystarczająca będzie kamera niższej klasy np. model HIKMICRO B20 o rozdzielczości obrazu termowizyjnego: 256 x 192 pikseli. Taki detektor pozwala uzyskać szczegółowe zdjęcia termograficzne i będzie pomocny do lokalizacji usterek.

Do dokładniejszej, bardziej szczegółowej analizy instalacji PV polecamy kamery wyższej klasy, np. HIKMICRO M30. Kamery z tej serii gwarantują wysoką jakość obrazu, a ręczna zmiana ostrości pozwala wyraźnie widzieć obiekty znajdujące się w różnych odległościach. Duży dotykowy wyświetlacz LCD 3,4” umożliwia szybką zmianę zakresu pomiaru temperatury z poziomu ekranu.

Najlepszym wyborem do profesjonalnych zastosowań będzie kamera HIKMICRO z serii G: model G40 lub G60 o rozdzielczości odpowiednio 480 x 360 lub 640 x 512 pikseli. Są to kamery z obrazem najwyższej jakości i pełną analizą. Dzięki wymiennym obiektywom 0.5x, 2x, 3.3x możliwe jest uzyskanie różnego pola widzenia. Pozwala to na robienie zdjęć nawet z bardzo dużych odległości.

Zachęcamy do zapoznania się z szeroką gamą produktów z naszej oferty kamer termowizyjnych czołowych producentów, m.in. HIKMICRO, Flir, czy Sonel.

Wzorcowanie kamer termowizyjnych

Nasze Laboratorium Badawczo-Wzorcujące Merserwis jest wyposażone w specjalne stanowisko do pomiarów bezdotykowych mierników temperatury w podczerwieni. Jesteśmy w stanie wykonać wzorcowanie kamery termowizyjnej dowolnego producenta w zakresie: 0°C - 340°C z wykorzystaniem kalibratora i termometru wzorcowego.

Standardowe punkty
Temperatura: 50°C; 100°C, 150°C, 250°C, 300°C

Usługa wzorcowania kończy się wydaniem świadectwa wzorcowania zawierającego wyniki pomiaru wskazanego przez przyrząd wzorcowany i porównanie ze wzorcem wraz z podaną niepewnością wzorcowania. Merserwis, bazując na informacjach producentów, zaleca zachowanie 12 miesięcznego okresu pomiędzy wzorcowaniem mierników temperatury.

inż. Piotr Pacześny