Practische gids Thermografie bij zonnepanelen. Praktisch advies en tips. 1
Intleiding. Een aantal jaren geleden is de markt in zonnepanelen exponentieel gegroeid. Om de toenemende vraag te kunnen beantwoorden, worden zonnepanelen geproduceerd door veel verschillende bedrijven. Hierdoor is er veel variëteit in kwaliteit. Vandaag de dag is deze industrie onderhevig aan een rigoureuze verandering, door capaciteit vergroting en een grote daling in prijs. Zonnepanelen spelen tegenwoordig een grote en belangrijke rol als het aankomt op het produceren van duurzame energie. Wereldwijd zullen er daarom altijd verschillende formaten worden geïnstalleerd. Deze praktische gids legt met handige tips uit hoe thermografie ondersteuning kan bieden bij het in bedrijfstellen, documenteren en onderhouden van de zonnepaneleninstallatie. 2
Inhoud: Motivatie en redenen om thermografie te gebruiken. 4 Defecten in beeld en oorzaken. 7 Tips voor het meten en het vermijden van fouten. 11 De ideale warmtebeeldcamera. 14 De ideale warmtebeeldcamera voor zonnepanelen. 17 Meer opleidingen. 18 Conclusie. 19 3
Thermografie Motivatie en redenen om thermografie te gebruiken. Slechte kwaliteit op de internationale markt. Toen het milieubewustzijn steeg, zijn mensen over de hele wereld op zoek gegaan naar nieuwe mogelijkheden in de energiesector. Met als resultaat grote investeringen in de zonnepanelen technologie. Over de hele wereld heeft dit geleid tot een trend die veel installateurs bezig houdt. Helaas betekende dit dat niet alleen experts de opdrachten voor plaatsing kregen, maar ook een groot aantal ongekwalificeerde installateurs en handelaren boden hun werkzaamheden voor de grote vraag naar zonnepanelen. De consequenties hiervan zijn nog steeds aanwezig: slecht vakmanschap en lage opbrengsten uit de systemen, tot aan veiligheid en brandrisico s. In een artikel in het vakblad Focus, rapporteert TÜV Rheinland over de slechte kwaliteit van het plaatsen van zonnepanelen installaties op Duitse daken. Het negatieve gevolg wordt nu door alle eindklanten ervaren. Echter heeft het slechte installatiewerk ook gevolgen voor het bedrijf die dat heeft uitgevoerd (bijv. garantie en reclamatie claims) 1. 4 Voorkom opbrengstverlies van klanten. Iedere zonnepanelen installatie wordt berekend op een uitgebreide en gedetailleerde investering- en opbrengstanalyse. Opbrengst berekeningen worden gemaakt tot voor 20 jaar. Echter houden deze berekeningen geen rekening met potentiële prestatieverliezen door slecht installatiewerk. Met behulp van thermografie is het mogelijk om dit risico te voorkomen en in een vroeg stadium te garanderen dat de productiecapaciteit wordt gehaald. Dit betekent dat de klant geen verrassingen meer krijgt en dat de kwaliteit gewaarborgd wordt. Om de opbrengst op lange termijn te garanderen zijn verdere inspecties belangrijk, omdat de efficiëntie van zonnepanelen afhankelijk zijn van temperatuur (fig. 1). Als panelen warm worden door beschaduwing, defecte cellen of strings stroom verbruiken maar niet genereren, dan wordt de efficiëntie verlaagd met 0,5% per Kelvin. Een gemiddelde temperatuurverhoging 1 : Zie het artikel van Jonas Fehling: TÜV waarschuwing over solartroep op Duitse daken via http://www.focus.de/ immobilien/energiesparen/solarenergie/tid-31367/mehr-schrott-auf-deutschlands-daechern-tuev-tadelt-maengelbei-solaranlagen-qualitaet_aid_996363.html (uitgebracht op 16-04-2014).
Fig. 1: Thermische onregelmatigheden leiden naar een mogelijk opbrengstverlies. van 10 C vergeleken met de standaard temperatuur betekent een opbrengstverlaging van 5%. Efficiënt, extra en vervolg werkzaamheden. In de gloriejaren was het voornamelijk belangrijk om zo snel mogelijk een zonnepanelen installatie te plaatsen. TÜV Reihnland beveelt het aan om regelmatig het solar systeem te testen en te onderhouden. Onderhoudscontracten kunnen een mogelijk mooie bron van inkomsten zijn. Het gebruik van thermografie maakt het mogelijk om efficiënt en competitief de werkzaamheden aan te bieden. Waarborgen kwaliteit en garantie. Met thermografie is het mogelijk om te controleren of de panelen en/ of cellen aan de eisen voldoen. De juiste combinaties van modules voorkomt zogenaamde mismatches, waar hoogwaardige panelen worden belemmerd door mindere panelen. Met een inspectie voordat de garantieperiode afloopt, kunnen eventuele claims nog ingediend worden. 5
Thermografie Brandbeveiliging. Brandbeveiliging speelt een belangrijke rol. Moderne omvormers en elektrische componenten worden steeds krachtiger (hoge efficiëntie), wat resulteert een hogere mate van warmte ontwikkeling. Onjuist geïnstalleerde of slecht gekoelde elektrische componenten hebben een verhoogd risico op brand, met name als de behuizing bestaat uit brandbaar materiaal. Elektrische componenten verouderen zeer snel door weersomstandigheden en UV-straling. Roestige of losse elektrische kabels geven thermische afwijkingen die met een warmtebeeldcamera eenvoudig te zien zijn. Voordeel: tijdbesparing. Thermografie is een contactloze, visuele meetmethode. Eerder diende iedere module individueel gemeten te worden, met een warmtebeeldcamera zijn grote oppervlakken in slechts ogenblikken gescand. Thermische afwijkingen of temperatuurverschillen op de zonnepanelen zijn een bewijs voor mogelijke fouten en defecten. Voordeel: Dekking door verzekering. Tot op heden waren defecte bypass diodes extreem lastig te lokaliseren (fig. 2). Thermografie is eenvoudig en snel te gebruiken bij het identificeren van deze schades. De kosten voor deze reparaties worden vaak gedekt door de verzekering. Voordeel: Persoonlijke veiligheid. Zonnepanelen werken tijdens zonuren. In het geval van moderne strings, kunnen voltages oplopen tot 1000V. Hiermee worden risico s op elektrische schokken groter voor de persoon die werkt aan de installatie. Echter worden infraroodfoto s altijd contactloos gemaakt. Dit betekent dat er altijd vanaf een veilige afstand gewerkt kan worden. Fig. 2: Defecte zonnepanelen na een storm. 6
Defecten in beeld en oorzaken. Op zoek naar de hotspot. Beschaduwing of defecte zonnecellen genereren een interne elektrische weerstand. Dit zet de zonnecel om van een elektrische generator naar een elektrische verbruiker, wat op zijn beurt weer leidt tot ongewenste warmteontwikkeling (hotspot). Het kan zo warm worden dat niet alleen de cel kapot gaat, maar ook de behuizing (EVA) en de folie (TPT). Bypass diodes moeten dit voorkomen. Echter leiden defecte of slechte bypass diodes (waar schaduw minimaal is) ook tot oncontroleerbare hotspots. Als er in de planningsfase rekening gehouden was met schaduw (bijv. hoge bomen), dan waren de zonnecellen en de bypass diodes permanent belast gedurende het hele jaar. Er zijn normaal gesproken twee gevolgen van hotspots: De elektrische opbrengst wordt lager wanneer de individuele cellen of het gehele zonnepaneel elektriciteit verbruiken in plaats van het te genereren. Ongewenste elektrisch verbruik verwarmt de cellen en panelen. Behalve dat het schade toebrengt aan de individuele cellen en een reductie in elektrische opbrengst oplevert, kan het ook leiden tot een verhoogd risico op brand. Normaliter worden fouten in een solar systeem goed zichtbaar op een warmtebeeldcamera vanaf een zonnestralingsintensiteit vanaf ongeveer 600 W/m 2. Oorzaken van problemen Defecte bypass diodes Defecte aansluiting en kortsluiting in zonnecellen Vochtpenetratie, vuil Scheuren in cellen of in het glas van het paneel Niet functionerende of afgesloten panelen Zogenaamde mismatches, zoals een prestatieverlies door verschillende capaciteiten van individuele zonnepanelen Slechte bekabeling en losse contacten - Schade en slijtage 7
Thermografie Veel voorkomende fouten op cellen en panelen. Het infraroodbeeld (fig. 3) geeft een typisch probleem weer van defecte individuele zonnecellen en substrings. De contactpunten in het beeld geven zichtbare warmte weer, wat betekent dat er meer onderzoek nodig is. Zonnepanelen kunnen ook uitvallen (fig. 4). Dit kan veroorzaakt worden door onjuiste installatie of dat kabels versleten zijn of door gekauwd. In het infraroodbeeld is dit te zien doordat het ene zonnepaneel aanzienlijk warmer is dan de andere panelen. Fig. 3: Typisch beeld van defecte cellen en substrings Defecte substring Defecte individuele zonnecel Contactpunten Door externe invloeden of slechte kwaliteit kan de EVA beschermlaag loslaten (fig. 5). Microscheurtjes en celscheuren kunnen tijdens transport of installatie door externe invloeden veroorzaakt worden. Microscheurtjes zijn nog niet kritisch, maar celscheuren kunnen de prestatie behoorlijk verlagen: vochtpenetratie kan leiden tot celcorrosie en tot prestatieverlies. Met een warmtebeeldcamera is dit te detecteren voordat de lagen zichtbaar melkachtig zijn. Fig. 4: Niet functionerend zonnepaneel. Fig. 5: Delaminatie van twee cellen. Fig. 6: Celscheur. 8
Overzicht van beeldpatronen en oorzaken van problemen. Het overzicht hieronder (fig. 7) geeft typische problemen en mogelijke oorzaken weer in bijhorende beeldpatronen. Infraroodbeeld Omschrijving Mogelijk probleem Mogelijke oorzaak Constante verwarming van de module ten opzichte van andere modules. Zonnepaneel functioneert niet. Zonnepaneel niet aangesloten, kabel slijtage of kabelbreuk. De module heeft een verwarmde rechte lijn. Kortsluiting in een string. Defecte bypass diode (bijv. na een storm) Onregelmatig patroon waar individuele cellen willekeurig over het paneel warmer zijn. Complete module functioneert niet. Onjuist aangesloten of defecte bypass diodes. Een deel van een zonnecel is aanzienlijk warmer. Celscheur. Transport- of installatieschade door externe mechanische invloeden. De verwarming van een specifiek punt. Scheur in een zonnecel of vuil ophoping. Fabrieksfout met celscheuring. Of beschaduwing door bijvoorbeeld vuil, vogelpoep, etc. De verwarming van een individuele zonnecel. Niet noodzakelijk een fout. Beschaduwing of defecte cel. Fig. 7: Schematisch diagram van infraroodbeelden en mogelijke oorzaken. 9
Thermografie Controleren van elektrische en mechanische componenten. Naast individuele zonnecellen en -panelen kunnen ook elektrische componenten gecontroleerd worden met thermografie. Corrosie op elektrische geleiders en aansluitingen of losse kabels kunnen leiden tot een elektrische weerstand die een verhoogde temperatuur als gevolg hebben. Dit betekent dat naast de zonnepanelen ook de elektrische en mechanische componenten gecontroleerd kunnen worden: Fig. 8: Linker omvormer is aanzienlijk warmer. Gecorrodeerde contacten of aansluitingen Omvormer Losse verbindingen Oververhitte contactpunten Fig. 9: DC kabel zonder kritische verwarming. Fig. 10: Significante verwarming bij de elektrische aansluitingen. 10
Tips voor het meten en het vermijden van fouten. Meteorologische voorwaarde. De controle moet plaatsvinden op heldere, droge dagen, met intensieve zonnestraling (ca. 600 W / m 2 ). Tijdens directe zonlicht werken de zonnepanelen op volle capaciteit, en zullen beschadigde zonnecellen duidelijker zichtbaar worden dan de andere cellen op het infraroodbeeld. Dat komt omdat ze dan overbelast worden of niet meer werken. Straling van ca. 600 W / m 2 is een richtwaarde. Als de zonnestralingsintensiteit verandert tijdens de meting, door bijvoorbeeld bewolking (fig. 11), kan het infraroodbeeld niet meer worden gebruikt. Om de hoogst mogelijke en dus gemakkelijk te detecteren temperatuurverlopen te bereiken, adviseren wij de meting uit te voeren wanneer de buitentemperatuur laag is (bijv. s ochtends of s avonds). Het verkoelende effect van wind op de panelen moet ook rekening mee gehouden worden. Juiste uitlijning. Tijdens de thermografische meting is de uitlijning van de camera in relatie tot het zonnepaneel de sleutel. De uitgestraalde energie is afhankelijk van de richting, dat wil zeggen dat tijdens de infraroodmeting de uitlijning van de warmtebeeldcamera in verhouding tot het paneeloppervlak 60-90 moet zijn. Het zonnepaneel moet zo worden geplaatst zodat deze haaks op de zon staan (Fig. 12). Meetfouten door een verkeerde meethoek leiden naar mogelijke temperatuurverschillen en valse reflecties. De warmtebeeldcamera zelf, de thermograaf, de zon of een gebouw kunnen reflecteren. De warmtebeeldcamera ziet deze reflecties ook. Door de meethoek te veranderen, zullen ook de reflecties verplaatsen. Fig. 11: Zichtbare reflectie van de bewolking. 11
Thermografie Fig. 12: Juiste uitlijning voor het meten aan een zonnepaneel. Fig. 13: Een infraroodfoto maken van de achterkant van een paneel. Bij vrijstaande zonnepanelen kunnen ook foto s gemaakt worden van de achterkant van het paneel (fig. 13), waardoor reflecties uitgesloten worden en er een hogere emissiecoëfficiënt bereikt wordt. De warmte overdracht is voldoende om de temperatuurverdeling te kunnen visualiseren op de warmtebeeldcamera. Dit betekent dat onjuiste metingen of slechte interpretaties worden voorkomen. Interpretatie en evaluatie. Voor de interpretatie en evaluatie van de infraroodbeelden is ervaring vereist, omdat zonnepanelen temperatuur afwijkingen kunnen vertonen die geen defect zijn. Een warmtebeeldcamera kan bijvoorbeeld een gedeeltelijke beschaduwing laten zien, terwijl die wordt veroorzaakt door vuil (fig. 15). Ook leidt een beschadigde cel niet altijd tot een defect in het gehele zonnepaneel. Alleen het uitvallen van een deel van het paneel zal leiden tot een substantieel prestatieverlies. Extra controles, zoals een visuele inspectie, karakteristieke curve meting of een elektro luminescentie meting zijn nodig om de oorzaken van het defect te lokaliseren. Voorzichtigheid is geboden bij het interpreteren van absolute temperaturen in het infraroodbeeld. Reflecties van bijvoorbeeld de koude hemel kunnen leiden tot verkeerde interpretaties (heldere lucht kan tot -25 C reflecteren). Wij bevelen aan om te werken met temperatuurverschillen en goed te letten op extreme temperatuurverschillen bij het paneel in vergelijking met het naastliggende paneel. 12
Hotspots zijn niet noodzakelijk een defect. Niet iedere thermische hotspot is altijd een defect in het zonnepaneel. Voorbeelden hiervan zijn bevestigingsmaterialen en contactpunten die zichtbaar worden in het infraroodbeeld door warmte overdracht naar het oppervlak van het paneel (fig. 14). Panelen met significante afwijking hoeven niet defect te zijn, maar kunnen misschien vuil zijn en moeten schoongemaakt worden. Fig. 14: Contactpunten van junctionbox op de achterkant van het zonnepaneel zijn zichtbaar. Level en span (kleurenschaal). Het aanpassen van de zogenaamde level en span is zeer belangrijk om defecten te kunnen identificeren. In de automatische stand detecteren warmtebeeldcamera s het heetste en koudste punt en verdelen het gehele kleurenbereik tussen deze twee punten (fig. 16 en 17). Deze brede kleurverdeling zorgt ervoor dat kleinere temperatuurverschillen en dus relevante defecten wegvallen. Fig. 15: Het beeld laat zien dat een hotspot niet een defect is, maar bevuiling van vogelpoep. Fig.16: Automatische aanpassing van de kleurenschaal. Fig. 17: Handmatige aanpassing van de kleurenschaal. 13
Thermografie De ideale warmtebeeldcamera. Het controleren van zonnepanelen met behulp van thermografie vereist hoge prestaties van de warmtebeeldcamera. Met meerdere criteria moet rekening gehouden worden wanneer een geschikt instrument voor dit doel gekozen moet worden: Detector resolutie Thermische gevoeligheid (NETD) Camerafuncties Verwisselbare lenzen Software Detector- en geometrische resolutie. Dankzij de geometrische resolutie (in mrad) van een warmtebeeldcamera is het mogelijk om objecten te detecteren (bijv. defecte zonnecellen) vanaf een grote afstand. De geometrische resolutie is onder andere afhankelijk van de detector resolutie, waarbij er een minimale resolutie van 320 x 240 pixels wordt aanbevolen voor metingen aan grote solar systemen of metingen vanaf grote afstanden. Bij metingen aan kleinere systemen en het uitvoeren van metingen vanaf een korte afstand, dan kan een detector resolutie van 160 x 120 pixels voldoende zijn. Thermische gevoeligheid (NETD). De thermische gevoeligheid om schrijft het vermogen van de warmtebeeldcamera om temperatuurverschillen te detecteren op objecten. Een thermische gevoeligheid van 0,05 C (of 50mK), betekent dat de warmtebeeldcamera dit temperatuurverschil kan detecteren en dit kan visualiseren door verschillende kleuren toe te kennen aan deze temperaturen op het display. Hoe hoger de thermische gevoeligheid, hoe beter de kwaliteit van het infraroodbeeld. Camera functies. Een draaibaar display helpt bij het juist uitlijnen van de warmtebeeldcamera bij het meten aan zonnepanelen (zie Fig. 18: de testo 885 met draaibaar display. 14
Tips) en om meetfouten te voorkomen. Het draaibare display maakt het ook mogelijk om beelden te schieten waarbij de camera boven het hoofd gepostioneerd dient te worden. Fig. 19: Zonnestraling in W/m2 wordt opgeslagen bij ieder infraroodbeeld. De warmtebeeldcamera kan gedraaid worden om zo in de juiste positie te komen, zonder hiervoor op de grond te hoeven liggen. In de solar modus wordt de zonnestralingsintensiteit bij ieder infraroodfoto opgeslagen (fig. 19) bij de relevante omgevingscondities. Met behulp van de video of logfunctie kunnen beeldreeksen opgenomen worden. In deze modus kan de warmtebeeldcamera op een bewegende stellage bevestigd worden die langs de zonnepanelen rijdt, terwijl de camera fotoreeksen of video maakt. De beelden zijn nadien te evalueren middels de PC software om tijd te besparen. Fig. 20: Dak met een solar systeem. Verwisselbare lenzen. Naast de detector resolutie heeft de lenshoek een groot effect op de geometrische resolutie. Om tijd te besparen tijdens metingen op grote solar systemen (fig. 20 en 21), kan de camera voorzien worden van een telelens, in plaats van het gebruik van een hijskraan of iets dergelijks. Fig. 21: Een infraroodfoto genomen vanaf grote afstand met behulp van een telelens. 15
Thermografie Software. De software is belangrijk in het kader van het optimaliseren en analyseren van de beelden. Het maakt het mogelijk om helder een gedetaillerd rapportages te genereren. De software moet intuïtief te gebruiken zijn, helder en gebruiksvriendelijk. Een rapport assistent helpt bij het opstellen van professionele rapporten in enkele minuten. Figuur 22 laat het histogram zien van een zonnepaneel. Verschillende aspecten kunnen hiervan afgelezen worden: terwijl de gemiddelde temperatuur 53,4 C is, zijn er maximale waardes tot 77,9 C en minimum temperaturen met een waarde van 38,7 C. De frequentie uitgedrukt in een percentage maakt het mogelijk om te zien hoeveel zonnecellen in een kritisch temperatuurbereik zitten. Het histogram die in dit voorbeeld wordt gebruikt, laat zien dat ongeveer 55% van alle temperatuurwaarden hoger zijn dan 63 C en dus al meer dan 10 C is dan het gemiddelde van 53,4 C. Minimum: 38,7 C / Maximum: 77,9 C / Gemiddelde waarde: 53,4 C Fig. 22: Temperatuur histogram van een zonnepaneel. 16
De ideale warmtebeeldcamera voor zonnepanelen. Fig. 23: testo 885 Fig. 24: testo 876 De test winnaar: testo 885 Het vakblad Photon heeft de testo 885 na een uitgebreide test als winnaar benoemd (score: 1.6 goed) van de beste warmtebeeldcamera voor het controleren van zonnepanelen. Detector resolutie 320 x 240 pixels Met testo SuperResolution naar 640 x 480 pixels (optioneel) Thermische gevoeligheid 0,03 C Flexibel dankzij het roterend handvat en uit te klappen draaibaar display Verwisselbare lenzen (optioneel) Solar modus Beeldreeksen en radiometrische videometing (optioneel) Voor beginners: testo 876. De testo 876 warmtebeeldcamera is ideaal voor kleinere solar systemen of metingen vanaf een korte afstand. Detector resolutie 160 x 120 pixels Met testo SuperResolution naar 320 x 240 pixels (optioneel) Thermische gevoeligheid 0,08 C Flexibel dankzij de uit te klappen en draaibare display Verwisselbare lenzen (optioneel) Solar modus 17
Thermografie Meer training. Tegenwoordig is het gebruik van een warmtebeeldcamera zo eenvoudig dat u, zonder veel tijd te besteden aan de handleiding, de camera prima kunt bedienen. Echter zijn onjuiste metingen en verkeerde interpretaties snel gemaakt. Speciale trainingen of workshops geven u de benodigde kennis voor het correcte gebruik van de warmtebeeldcamera en behoeden u voor fouten en verkeerde interpretaties. Testo BV biedt u de Testo Thermografie Training! Dit is een cursus/workshop die u in een halve dag tijd leert omgaan met infraroodstraling. U bent na de training bewust van de valkuilen in deze techniek en weet hoe u op een juiste manier infraroodfoto s moet maken. Kijk op www.testo.nl/workshops voor beschikbare data. Fig. 25: Thermografie training bij Testo bv Overzicht van de behandelde onderwerpen: Thermografie en toepassingen Temperatuur en warmte overdracht Emissie, reflectie en transmissie De warmtebeeldcamera Level, span en andere instellingen Hoe maak ik een goede foto? IRSoft analyse en rapportage software 18
Conclusie. Het gebruik van warmtebeeldcamera s nemen toe in de industriële sector. De potentie rondom solar systemen en mogelijke andere toepassingen is eindeloos. De focus ligt op het identificeren van hotspots, opbrengst verliezen of zelfs gevaarlijke risico s. Dit is ook van groot belang wanneer het aankomt op garantie claims. Controle op de elektrische componenten bijvoorbeeld, waar de bekabeling slecht is, resulteert dat in een energieverlies of leidt het tot brandrisico s. Warmtebeeldcamera s garanderen ook dat werkende componenten niet oververhit raken en dat koelsystemen naar behoren werken. Er is een breed scala aan toepassingen. Wat belangrijk is voor solar technici en installateurs is dat thermografie juist gebruikt wordt en dat zij beelden genereren die gebruikt kunnen worden voor interpretatie. Voor beide eisen biedt Testo de perfecte producten en trainingen. 19
2981 4033/cw/I/06.2014 Wijzigingen voorbehouden. Testo BV Postbus 1026, 1300 BA Almere Randstad 21-53, 1314 BH Almere Telefoon 036-5487 000 Fax 036-5487 009 E-mail info@testo.nl www.testo.nl 20