22 831 25 21  22 831 42 56  merserwis@merserwis.pl

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: 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.

L.p.

Właściwości

Minimalne wymagania

1. Charakterystyka widmowa od 8 μm do 14 μm
2. Zakres pomiaru temperatury obiektu od –20 °C do +120 °C
3. Temperatura robocza od –10 °C do +40 °C
4. Czułość (rozdzielczość) termiczna NETD ≤ 0,1 K (w temp. 30 °C)
5. Rozdzielczość optyczna max. 3 cm krawędzi modułu na piksel

3 cm długości krawędzi na piksel to 5 x 5 pikseli w obrazie 6" komórki PV
6. Błąd bezwzględny ± 2 K
7. Parametry nastawne Emisyjność (ε), temperatura odbita (Trefl)
8. Funkcje nastawne Ostrość, poziom temperatury i zakres pomiarowy
9. Funkcje pomiaru Punkt pomiarowy, obszar pomiarowy z temperaturą średnią i maksymalną
10. Wzorcowanie Kamerę termograficzną poddaje się wzorcowaniu co najmniej co dwa lata.  Wzorcowanie musi być udokumentowane - powinno zostać wystawione Świadectwo Wzorcowania, które umożliwia śledzenie spójności pomiarowej.
11. Dokumentacja Przechowywanie obrazu w podczerwieni wraz ze wszystkimi informacjami radiometrycznymi, aby móc określić temperaturę bezwzględną. Obrazy nieradiometryczne mogą przedstawiać jedynie wzór i ostatecznie różnice temperatur.

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.
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

D 0.50 1.00 2.00 5.00 10.00 25.00 50.00 100.00 m
HFOV 0.41 0.82 1.65 4.12 8.24 20.61 41.21 82.42 m
VFOV 0.31 0.62 1.24 3.09 6.18 15.45 30.91 61.82 m
DOF near 0.23 0.31 0.36 0.41 0.43 0.44 0.44 0.44 m
DOF far Infinity m
IFOV 2.58 5.15 10.30 25.76 51.52 128.79 257.58 515.15 mm

Kamera FLIR E6xt, rozdzielczość 240 x 180

D 0.50 1.00 2.00 5.00 10.00 25.00 50.00 100.00 m
HFOV 0.41 0.82 1.65 4.12 8.24 20.61 41.22 82.44 m
VFOV 0.31 0.62 1.24 3.09 6.18 15.46 30.91 61.83 m
DOF near 0.29 0.40 0.50 0.59 0.63 0.65 0.66 0.67 m
DOF far 1.91 Infinity m
IFOV 1.72 3.43 6.87 17.17 34.35 85.87 171.74 343.48 mm

Kamera FLIR E8xt, rozdzielczość 320 x 240

D 0.50 1.00 2.00 5.00 10.00 25.00 50.00 100.00 m
HFOV 0.41 0.82 1.65 4.12 8.24 20.61 41.21 82.42 m
VFOV 0.31 0.62 1.24 3.09 6.18 15.45 30.91 61.82 m
DOF near 0.32 0.47 0.62 0.76 0.82 0.87 0.88 0.89 m
DOF far 1.12 Infinity m
IFOV 1.29 2.58 5.15 12.88 25.76 64.39 128.79 357.58 mm


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)

Parametr Kamera niższej klasy Kamera średniej klasy Kamera profesjonalna Kamera profesjonalna wyższej klasy
Świadectwo wzorcowania Tak
Zakres pomiarowy -20…+250 °C -20…+650 °C  -20…+1200 °C  -40…+2000 °C
Rozdzielczość 160 x 120  320 x 240 320 x 240 640 x 480
Czułość termiczna 0.1 K 0.05 K 0.04 K 0.002 K
Dokładność +/- 2 °C +/- 1 °C
Ustawienie ostrości Obiektyw stałoogniskowy Ręcznie Ręcznie lub auto
Kamera cyfrowa 2 Megapiksele 3 Megapiksele 5 Megapikseli
Ustawienie emisyjności 0.01…1
Nagrywanie dźwięku (notatki głosowe) - Tak
Wymienne obiektywy - Tak
Moduł GPS - - Tak Tak
Czujniki zewnętrzne - - Tak Tak


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

L.p. Parametr Wymagania
1. Irradiancja (natężenie napromienienia)  Minimum 600 W/m2 w płaszczyźnie modułu PV
2. Prędkość wiatru Maks. 4 w skali Beauforta lub 28 km/h (ok. 8 m/s)
3. Zachmurzenie Mało chmur (2 w skali oktanowej)
4. Stopień zabrudzenia paneli Panele czyste lub lekko zabrudzone (przed badaniem zalecane jest ich czyszczenie np. z ptasich odchodów)

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 oktany, 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.

L.p. Parametr Przyrząd Dokładność
1. Irradiancja (natężenie napromienienia)  Czujnik natężenia napromienienia (ogniwo z krzemu krystalicznego lub pyranometr) ± 5 %
2. Temperatura powietrza Czujnik temperatury ( chroniony przed bezpośrednim światłem i wiatrem) ±2 K
3. Prędkość wiatru Anemometr (lub skala Beauforta) Szacunkowa
4. Zachmurzenie Aparat fotograficzny Szacunkowa
5. Stopień zabrudzenia paneli Aparat fotograficzny Szacunkowa (np. zgodnie z IEC 61724-1)

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.


Wielkość 1 piksela [mm] = IFOV[mrad] odległość od modułu PV [m]


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 Flir E8-XT, której rozdzielczość przestrzenna (IFOV) wynosi 2,6 mrad, maksymalna odległość od panelu PV, z której należy wykonać zdjęcie wynosi 11 metrów:
2,6 mrad (IFOV) 11 m (odległość) = 28,6 mm

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°.

Rys. 1. Kąt widzenia uwzględniając promieniowanie tła odbitego.


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.

Rys. 5. Różnica temperatur między hot-spotem i sprawnym ogniwem tego samego panelu może sięgać >20 K.


Rys. 6. Zdjęcie IR pokazujące podniesioną temperaturę ogniwa z powodu zacienienia przez roślinność.


4. Przegrzewanie się diod bocznikujących (by-pass)

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


Rys. 8. Przykład hot spotu spowodowanego przez przegrzewanie się diody bocznikującej


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 będzie wystarczyła kamera niższej klasy o rozdzielczości 160x120, np. FLIR E5-XT.



Do dokładniejszej analizy szczegółowej instalacji PV konieczna będzie kamera wyższej klasy, np. FLIR E6-XT lub FLIR E8-XT.




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


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 wzorcowaniami mierników temperatury.


 

 

Ostatnio zmienianyśroda, 25 listopad 2020 08:27
dotpay

Szczególnie polecamy

Z naszej oferty szczególnie polecamy aparaturę do pomiaru jakości energii elektrycznej: analizatory jakości energii i zasilania oraz analizatory parametrów sieci

Przyrządy wykorzystywane w laboratoriach i warsztatach: autotransformatory jednofazowe i trójfazowe, rezystory i oporniki suwakowe, oscyloskopy, zasilacze


Aparaturę dla branży energetycznej: przekładniki prądowe, kondensatory, systemy oceny efektywności energetycznej

Aparaturę do automatyki i kontroli: regulatory temperatury, wskaźniki tablicowe, rejestratory temperatury, termometry ostrzowe i inne...

Dystrybucja

Firma Merserwis jest bezpośrednim dystrybutorem w Polsce firm: Metrel, Sauermann-Kimo, Presys, Audio Precision, GW Instek, Graphtec, Hanyoung, Lascar Electronics, Meatest, DeltaOhm.

Jesteśmy również krajowym dystrybutorem firm: Sonel, Lumel, Czaki Thermoproduct, RelPol, Tanel, Budenberg i wielu innych...

Zapewniamy doradztwo, szkolenia, prezentacje oraz wzorcowanie mierników i serwis gwarancyjny oraz pogwarancyjny.

Dane kontaktowe

Merserwis Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k.
ul. Gen. Wł. Andersa 10
00-201 Warszawa, Polska
NIP: 5260058571

Kontakt
Tel: 22 831 25 21, 22 831 42 56
Fax: 22 887 08 52
E-Mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Godziny pracy
Dział Handlowy: Pon.-Pt. 8:00-16:00
Serwis Aparatury: Pon.-Pt. 8:00-16:00
Laboratorium Badawczo-Wzorcujące: Pon.-Pt. 8:00-16:00