Z roku na rok procentowy udział gospodarstw domowych oraz przedsiębiorstw decydujących się na inwestycje w instalacje fotowoltaiczne się zwiększa. Ludzie na całym świecie wciąż zmagają się z rosnącymi kosztami energii elektrycznej, a co za tym idzie, starają się polepszyć sytuację finansową poprzez wykorzystanie coraz powszechniej dostępnych technologii z zakresu energetyki odnawialnej. W Polsce zaowocowało to wzrostem liczby specjalistów oraz firm zajmujących się sprzedażą i montażem instalacji fotowoltaicznych. Znaczna część tych podmiotów, obiecując swoim klientom bezobsługowość zamontowanych komponentów, zyskała zaufanie na rynku, ale czy słusznie?
Patrząc na rynek energii odnawialnej z bieżącej perspektywy, możemy zaobserwować powolny wzrost świadomości w zakresie kontroli pracy instalacji fotowoltaicznych – nie tylko ze strony ekspertów, ale również użytkowników. Ze względu na specyfikę wykorzystywanych komponentów, takich jak moduły fotowoltaiczne (np. podatność na uszkodzenia w transporcie, w procesie montażu i podczas produkcji) pojawiła się potrzeba przeprowadzania badań okresowych, potwierdzających efektywne działanie tychże modułów. Diagnostyka ta ma przede wszystkim umożliwić wykrycie ewentualnych defektów oraz reklamację uszkodzonych modułów fotowoltaicznych, dzięki czemu zwiększy uzyski z uruchomionych już instalacji. Daje to dodatkowe korzyści finansowe dla inwestora, czyniąc tę usługę coraz bardziej pożądaną.
Odpowiedzią na rosnące zapotrzebowanie w zakresie badań modułów PV są usługi oferowane przez Przemysłowe Laboratorium Niskoemisyjnych i Odnawialnych Źródeł Energii. Laboratorium powstało w wyniku realizacji projektu CENWIS – Centrum Naukowo-Wdrożeniowego Inteligentnych Specjalizacji Regionu Świętokrzyskiego. Dzięki wykorzystaniu dostępnej w laboratorium aparatury badawczej możliwa jest identyfikacja problemów związanych z modułami fotowoltaicznymi, często niewidocznych gołym okiem.
Badanie modułów w terenie
Rozpoczynając proces badania modułów w terenie, skupiamy się głównie na wykorzystaniu metody elektroluminescencji, termowizji oraz określeniu charakterystyk prądowo-napięciowych.
Dron do termowizyjnych inspekcji farm fotowoltaicznych (PV)
Do badań wykonywanych na dużych instalacjach (takich jak farma fotowoltaiczna) wykorzystujemy coraz popularniejsze urządzenie, jakim jest dron. Pozwala ono na sprawne wykonanie badania termowizyjnego poprzez przeprowadzenie wnikliwej detekcji szerokiego spektrum defektów, które skutkują obniżeniem zdolności produkcyjnej instalacji PV.
Przykładowe zdjęcie termograficzne z widocznymi defektami. Źródło: materiały własne
Dzięki wykorzystaniu drona wyposażonego w kamerę termowizyjną jesteśmy w stanie pozyskać termogramy z rozkładem temperaturowym poszczególnych ogniw w module, co w przypadku całej instalacji fotowoltaicznej wielkoobszarowej daje obraz efektywności jej pracy. Sprzęt ten eliminuje jeden z największych problemów występujących w przypadku badań na tak dużą skalę, czyli liczbę modułów do przebadania, zawierającą się zwykle w tysiącach. Dzięki niemu, przeprowadzone badanie jest sprawne i skuteczne, bez konieczności manualnego przenoszenia lub zdejmowania modułów oraz wielogodzinnego sprawdzania instalacji przy pomocy ręcznej kamery termowizyjnej.
Wykorzystanie drona z kamerą termowizyjną pozwala na przeprowadzenie badania (nalotu) zgodnie z normą IEC TS 62446-3, co umożliwia identyfikację i detekcję takich problemów, jak:
- moduły w obwodzie otwartym,
- moduły w zwarciu,
- moduł z uszkodzoną szybą wierzchnią,
- zwarcie podstringu wynikające z awarii diody bocznikującej,
- otwarty obwód podstringu wynikający z awarii w puszce łączeniowej lub złączu ogniw,
- mocne przegrzanie pojedynczego ogniwa wynikające z zabrudzenia, zacienienia lub pęknięcia ogniwa,
- przegrzanie wynikające z zakurzenia lub czasowego zabrudzenia usuwanego przez deszcz lub mycie modułów,
- zwiększona rezystancja styku na połączeniu ogniw, wynikająca z błędów lutowania,
- przegrzanie puszki połączeniowej wynikające z awarii styku lub awarii diody bocznikującej.
Przykładowa mapa termograficzna z zaznaczeniem miejsc występowania defektów. Źródło: materiały własne.
W zależności od tego, jakie problemy zostaną zidentyfikowane podczas badania, inwestor dostaje po badaniu raport końcowy, a w nim wytyczne pozwalające na podjęcie działań, dzięki którym praca instalacji ma zostać przywrócona do stanu sprzed wystąpienia nieprawidłowości. Dzięki temu minimalizujemy również ryzyko wystąpienia potencjalnego pożaru na skutek różnych wad w zainstalowanych modułach PV. W przypadku wykonania badania w okresie gwarancji, możliwe jest również pociągnięcie do odpowiedzialności wykonawcy, jeżeli wykryte nieprawidłowości wynikają z niewystarczającej jakości przeprowadzonego montażu.
Na podstawie danych GPS, które zarejestrowane zostaną podczas wykonywania oblotu BSP, oraz zrobionych w tym czasie zdjęć możliwe jest sporządzenie map termowizyjnych badanego terenu, które ułatwią lokalizację występujących defektów.
Mobilne Laboratorium PV
Do badań w terenie coraz częściej wykorzystuje się Mobilne Laboratorium 4.0, bez konieczności transportu modułów do laboratorium stacjonarnego. W sytuacji, gdy istnieje potrzeba przeprowadzenia obiektywnej analizy działania modułów fotowoltaicznych, jest to idealne rozwiązanie do identyfikacji wydajności modułu, odnalezienia ukrytych defektów takich jak mikropęknięcia, hotspoty lub inne problemy z jakością.
Laboratorium mobilne. Źródło: materiały własne.
Mobilne Laboratorium PV łączy możliwość przeprowadzenia testów za pomocą fleszowego symulatora Słońca oraz za pomocą elektroluminescencji, co pozwala na sporządzenie obszernych raportów z badania modułów PV. Dzięki szerokiej bazie danych pomiarowych, czas trwania samego testu jest krótki, dzięki czemu umożliwia dużą przepustowość wraz z zachowaniem najwyższej jakości badań wykonywanych w terenie.
Mobilne Laboratorium PV umożliwia przede wszystkim:
- pomiar mocy i rejestrowanie charakterystyk prądowo-napięciowych modułów PV, pozwalające na weryfikację uzyskanych wyników z tabliczką znamionową i kartą katalogową,
- badania w zakresie termowizji, co pozwoli wykryć uszkodzenia elektryczne modułów,
- badania w zakresie elektroluminescencji, co pozwoli wykryć uszkodzenia struktury krystalicznej modułów.
Dzięki wykorzystaniu elektroluminescencji do badań modułów PV możliwa jest diagnostyka niewidocznych gołym okiem defektów, do których należą m.in.:
- mikropęknięcia ogniw (powstałe w wyniku transportu montażu lub eksploatacji),
- defekty liniowe (uszkodzenia tylnej powierzchni ogniw),
- defekty materiałowe,
- degradacja połączeń pomiędzy ogniwami,
- wadliwe lutowanie szyn zbierających ogniw,
- identyfikacja odizolowanych elektrycznie części uszkodzonych ogniw,
- defekty związane z podwyższoną upływnością ogniw,
- defekty związane z degradacją typu PID,
- problemy z puszką przyłączeniową modułu (wadliwe połączenia lub uszkodzona dioda by-pass),
- uszkodzenia krytyczne modułów PV (powstałe w wyniku intensywnych zjawisk atmosferycznych).
Badania stacjonarne
Gdy techniczne możliwości wynikające np. z wielkości modułów nie pozwalają na wykonywanie badań terenowych, wtedy badania te odbywają się w trybie stacjonarnym. Politechnika Świętokrzyska dysponuje stacjonarnym symulatorem Słońca ze światłem ciągłym . Ma on możliwości zmieszczenia modułów o większym rozmiarze niż w przypadku Mobilnego Laboratorium 4.0.
Przykładowe zdjęcie elektroluminescencyjne modułu fotowoltaicznego
z widocznymi defektami. Źródło: materiały własne.
Badania instalacji fotowoltaicznych mają na celu głównie eliminację problemów związanych z działaniem zainstalowanych komponentów, zwłaszcza że często uszkodzenia te nie są widoczne gołym okiem. Dzięki realizacji projektu CENWIS oraz stworzeniu Przemysłowego Laboratorium Niskoemisyjnych i Odnawialnych Źródeł Energii możliwe jest wykonanie odpowiednich badań, pozwalających na wykrycie potencjalnych defektów mogących stanowić zagrożenie dla pracy oraz bezpieczeństwa instalacji i jej otoczenia. Badania eksploatacyjne należy wykonać po odbiorze instalacji (weryfikacja poprawności działania po uruchomieniu), pod koniec okresu gwarancji oraz po każdym ekstremalnym zjawisku pogodowym (np. gradobicie), zachowując przy tym odstęp czasowy między badaniami wynoszący nie dłużej niż rok czasu. Otrzymując pełny raport z badania modułów PV, inwestor zyskuje niezwykle cenną wiedzę, umożliwiającą mu wprowadzenie zmian pozwalających na zwiększenie efektywności instalacji PV, a co za tym idzie – maksymalizację zysków.
autorzy: mgr inż. Artur Pawelec
mgr inż. Aleksandra Pyk
mgr inż. Dominik Zbróg
CENWIS – Centrum Naukowo-Wdrożeniowe Politechniki Świętokrzyskiej
Kierownik Laboratorium: dr hab. inż. Artur Bartosik prof. PŚk
tel. 783-230-613, e-mail: artur.bartosik@tu.kielce.pl