W wielu krajach energetyka solarna zyskuje ostatnio znacznie na popularności i coraz częściej słyszymy o kolejnych inwestycjach zrealizowanych w tym obszarze. Jest to spowodowane szybko spadającymi cenami paneli fotowoltaicznych oraz innych elementów instalacji. Taki trend prowadzi do wzrostu konkurencyjności tego sposobu pozyskiwania energii elektrycznej. W niektórych krajach osiągnięto etap, w którym koszty produkcji energii przez odnawialne źródła są takie same, lub nawet niższe niż koszty energii produkowanej z paliw kopalnych.

W obszarach gdzie występują trudności z doprowadzeniem standardowych sieci elektroenergetycznych, energia elektryczna wytwarzana z promieniowania słonecznego stała się kluczową alternatywą. Energia słoneczna jest czysta, a jej wykorzystanie w żadnym stopniu nie oddziałuje negatywnie na otoczenie, a zgodnie z publikacją Międzynarodowej Agencji Energetycznej (International Energy Agency - IEA) – Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy Edition 2014, może stać się jednym z najważniejszych źródeł energii na Ziemi do 2050 roku.

Zasada działania instalacji fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne używają paneli fotowoltaicznych do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną przy wykorzystaniu efektu fotoelektrycznego. Każdy panel wykonany jest z kilku modułów fotowoltaicznych, które z kolei składają się z matrycy ogniw fotowoltaicznych zamieniających irradiancję słoneczną w napięcie elektryczne. Uszkodzenie któregokolwiek ogniwa fotowoltaicznego może skutkować obniżeniem ilości energii wytwarzanej przez panel.

Jeśli ogniwo jest zacienione lub nie pracuje prawidłowo, zamiast generować – pobiera ono energię z sąsiednich ogniw. Na farmach solarnych, które mogą składać się nawet z kilku tysięcy paneli fotowoltaicznych, dokładne sprawdzenie każdego ogniwa było by niewygodne i pochłaniałoby mnóstwo czasu. Niniejszy artykuł opisuje pokrótce sposób szybkiej i wiarygodnej kontroli ogniw fotowoltaicznych za pomocą kamery termowizyjnej.

Wykrywanie gorących obszarów (hotspotów) przy pomocy kamery termowizyjnej

Jako, że moduły fotowoltaiczne charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym dla mocy maksymalnej, wzrost ich temperatury powoduje obniżenie mocy wyjściowej. Wykorzystanie kamery termowizyjnej pozwala w szybki i efektywny sposób wykryć przegrzewające się ogniwa fotowoltaiczne oraz anomalie powodujące nieprawidłową pracę ogniw.

Poniższe zdjęcie wykonane kamerą Keysight U5855A wyraźnie pokazuje rozmieszczenie gorących obszarów, tzw. hotspotów występujących na badanym panelu fotowoltaicznym.

Aby zminimalizować występowanie gorących obszarów spowodowanych efektem cieniowania (ang. shading effect), producenci paneli często instalują w panelach specjalne diody obejściowe. Niemniej jednak diody obejściowe mogą ulec zużyciu lub z innych powodów nie działać prawidłowo w konsekwencji doprowadzając do przegrzania ogniw.

Ogniwo posiadające usterkę zacznie nagrzewać sąsiednie ogniwa co spowoduje znaczne obniżenie mocy wyjściowej panelu. Kamera termowizyjna Keysight U5855A dzięki specjalnemu algorytmowi wykorzystanemu w technologii Fine Resolution wykonuje wysokiej jakości zdjęcia w rozdzielczości 320x240. Taka rozdzielczość pozwala dostrzec więcej detali i szybko zidentyfikować ewentualny problem. Zakres pomiarowy kamery wynosi od –20 do 350 °C, z rozdzielczością na poziomie 0.07 °C. Takie parametry pozwalają wykryć nawet niewielkie zmiany temperatury ogniwa, co z kolei ułatwia analizę problemu.

Przeprowadzanie dokładnej analizy nieprawidłowości

Aby w łatwy sposób zlokalizować nieprawidłowości, szczególnie dla ogniw w matrycy fotowoltaicznej, kamera Keysight posiada tryby tzw. blendy lub obrazu w obrazie czyli możliwość nałożenia obrazu termowizyjnego na obraz widzialny. Zapisane obrazy mogą być zaimportowane do dołączonego do kamery oprogramowania TrueIR pozwalającego na analizę oraz tworzenie raportów pomiarowych. Obraz termowizyjny oraz obraz widzialny mogą zostać wyświetlony jeden obok drugiego znacznie ułatwiając zaawansowaną analizę.

Oprogramowanie Keysight TrueIR Analysis and Reporting tool umożliwia użytkownikowi określenie pozycji obrazu termowizyjnego na obrazie widzialnym jak na poniższym rysunku.

Nakładanie na siebie obrazów ułatwia użytkownikowi dokładne lokalizowanie usterek.
Uwaga: Obrazy powinny być porównane z obrazem sprawnych ogniw fotowoltaicznych. Dodatkowo należy przeprowadzić test właściwości elektrycznych paneli fotowoltaicznych, aby potwierdzić występowanie nieprawidłowości.

Pomiar właściwości elektrycznych paneli i całych instalacji fotowoltaicznych

Napięcie wytwarzane przez Panele fotowoltaiczne jest napięciem stałym DC, napięcie wykorzystywane w sieciach energetycznych jest napięciem przemiennym AC – dlatego też kompletna instalacja fotowoltaiczna składa się również z inwertera którego zadaniem jest zmiana napięcia DC na AC.

Przykładowy schemat kompletnej instalacji fotowoltaicznej przedstawiono na poniższym rysunku.

Producenci paneli fotowoltaicznych deklarują ich sprawność – określając jakie napięcie powinny wytarzać przy określonej temperaturze paneli oraz promieniowania słonecznego. Także producenci inwerterów określają sprawność zmiany napięcia DC na AC. Dodatkowo sama instalacja fotowoltaiczna musi być nie tylko sprawdzona po jej wykonaniu i oddaniu do użytkowania, ale także okresowo sprawdzana pod kątem bezpieczeństwa jeśli podłączona jest do działającej instalacji elektrycznej.

Badanie bezpieczeństwa oraz właściwości elektrycznych paneli jak i całej instalacji fotowoltaicznej wraz z inwerterem można przeprowadzić za pomocą mierników instalacji fotowoltaicznych firmy Metrel. W ofercie firmy Metrel znajdują się dwa modele Eurotest PV zdolne do przeprowadzania takich pomiarów.

Pierwszy z nich – model Metrel MI 3109 EurotestPV Lite pozwala na badanie pod kątem bezpieczeństwa i wydajności tylko instalacji fotowoltaicznych.

Drugi z nich – model Metrel MI 3108 EurotestPV oprócz instalacji fotowoltaicznych, pozwala również przeprowadzić pomiary bezpieczeństwa w standardowej instalacji elektrycznej niskiego napięcia (strony AC).

Oba przyrządy pomagają ocenić czy instalacja fotowoltaiczna jest bezpieczna (poprzez pomiar rezystancji izolacji oraz ciągłości połączeń ochronnych) oraz czy w jej pracy nie występują nieprawidłowości wpływające na obniżenie sprawności wytwarzania napięcia.

Kompletne badanie instalacji fotowoltaicznej miernikami EurotestPV odbywa się zarówno po Stronie DC (fotowoltaicznej) i pozwala na: pomiar napięcia, pomiar prądu, pomiar mocy, pomiar otwartego obwodu, pomiar prądu zwarciowego, wykreślanie charakterystyki prądowo-napięciowej, badanie sprawności inwertera i porównanie jej z deklarację jego producenta, a także po stronie AC (instalacji odbiorczej) pozwalając na: pomiar napięcia, pomiar prądu i pomiar mocy.

Dodatkowo w wersji profesjonalnej (PS) oba modele przyrządów wyposażone są w niezależny rejestrator parametrów środowiskowych Metrel A 1378 Remote Unit, który pozwala w czasie rzeczywistym rejestrować warunki pracy paneli fotowoltaicznych (aktualna irradiancja, temperatura ogniwa/otoczenia).

Umożliwia to w jeszcze dokładniejszy sposób określić sprawność instalacji, ponieważ przyrządy (po wprowadzeniu charakterystyk badanych paneli oraz po pobraniu danych z rejestratora A 1378) są w stanie szybko przekalkulować wyniki badań do standardowych warunków testowych (ang. STC – Standard Test Conditions).

Dzięki wykorzystaniu przyrządu Metrel MI 3109 EurotestPV Lite lub MI 3108 EurotestPV można szybko określić parametry pracy oraz sprawność instalacji fotowoltaicznych, a w razie występowania nieprawidłowości dość precyzyjnie zdiagnozować ich przyczynę (np. poprzez analizę charakterystyki napięciowo-prądowej).

Pomiar instalacji fotowoltaicznych i instalacji 3 fazowych

Przyrządy Metrel MI 3109 EurotestPV Lite oraz Metrel MI 3108 EurotestPV mogą także współpracować z analizatorami jakości energii firmy Metrel, np. Metrel MI 2892 PowerMaster, które pozwalają na kompleksowe badanie strony AC instalacji fotowoltaicznej wyposażonej w inwerter trójfazowy. Analizatory te umożliwiają standardowe pomiary oraz rejestrację wartości napięcia, prądów, mocy a także przebiegów napięcia czy prądu. W przypadku niektórych modeli możliwa jest także rejestracja stanów nieustalonych czy szczegółowa analiza parametrów sieci trójfazowej co pozwala na wykonanie szczegółowej analizy prawidłowego działania całej instalacji. Po połączeniu analizatorów jakości energii Metrel z przyrządami EurotestPV dane pomiarowe instalacji 3-fazowej zapisywane są w pamięci EurotestPV w celu ich dalszej, kompleksowej analizy.

Ciągła rejestracja parametrów farm solarnych i dużych instalacji fotowoltaicznych

W przypadku dużych instalacji fotowoltaicznych składających się z wielu paneli połączonych w łańcuch (ang. String) operatorzy systemu powinni zadbać o wyposażenie instalacji w system rejestrujący pracę kompleksowej instalacji w celu monitorowania poprawności i efektywności jej działania.

Do tego celu można wykorzystać wielokanałowy rejestrator Graphtec GL 840 Midi Logger posiadający standardowo 20 kanałów z opcją ich rozbudowy do 200 kanałów. Każde wejście rejestratora jest wielofunkcyjne i można do niego podłączyć sygnał napięciowy do 100V, czujniki temperatury termoparowe lub rezystancyjne PT 100 a także sygnały pętli prądowej 4-20 mA (przy zastosowaniu bocznika).

Ponieważ większość przetworników napięcia, prądu itp. Posiada wyjście napięciowe, można podłączyć je do rejestratora i skonfigurować z nim opcję przeliczania napięcia na właściwą jednostkę pomiarową. Pozwala to na nieograniczoną możliwość podłączenia wartości zapisywanych w pamięci rejestratora.

W przypadku instalacjach fotowoltaicznych mamy do czynienia z różnymi parametrami (temperatura panelu fotowoltaicznego albo otoczenia, irradiancja – natężenie promieniowania słonecznego mierzona pyranometrami, napięcie AC/DC, prądy AC/DC czy moce) i wszystkie te wartości można zarejestrować z zastosowaniem powyższego rejestratora wykorzystując dodatkowo przetworniki z wyjściem napięciowym lub prądowym.

Przykładowo:

• Pomiar temperatury może być realizowany bezpośrednio przez czujniki temperatury
• Pomiar irradiancji może być realizowany przez przetwornik irradiancji KIMO CR 100
• Pomiar napięcia DC do 1000V np. przez przetwornik Lumel P30H
• Pomiar napięcia AC do 600 V np. przez przetwornik GHM VT 500
• Pomiar prądu DC / AC np. przez cęgi prądowe Metrel A 1392
• Pomiar mocy przez przetwornik GHM WM 500 z obsługą przekładników prądowych

Podsumowanie

Wykorzystanie kamery termowizyjnej oraz przyrządów do pomiaru właściwości elektrycznych instalacji fotowoltaicznych pozwala na szybkie i kompleksowe badania instalacji fotowoltaicznych i precyzyjnie lokalizowanie usterek. Diagnozowanie instalacji za pomocą kamery termowizyjnej odbywa się bez jakiejkolwiek ingerencji w jej pracę, natomiast przyrządy do pomiarów właściwości elektrycznych pozwalają na kompleksową i dokładną analizę całej instalacji pod kątem zarówno bezpieczeństwa jak i wydajności. Połączenie kamery Keysight U5855A, przyrządu Metrel MI 3109 EurotestPV Lite lub Metrel MI 3108 EurotestPV bądź systemu ciągłej rejestracji parametrów stanowi bardzo przydatny zestaw do badania instalacji fotowoltaicznych.