Die Sonne bringt Mängel an den Tag

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• Die Prüfung von Solarzellen per Thermografie ist seit rund einem Jahrzehnt Standard, denn bereits geringe Teilausfälle können eine gesamte Anlage unrentabel machen.
• Neben der Qualitäts- und Produktivitätssicherung dient die PV-Thermografie auch dem vorbeugenden Brandschutz: Modul- oder Anschlussfehler können im Extremfall Brände auslösen.
• Gegenüber anderen Prüf- und Messverfahren hat die PV-Thermografie den Vorteil, dass Anlagen nicht abgeschaltet werden müssen und der Betrieb ungestört weiterläuft.
• Für die PV-Thermografie ist eine überdurchschnittliche IR-Kamera erforderlich.

Gegenüber anderen Prüf- und Messverfahren hat die Infrarot-Technik unschlagbare Vorteile: Kleine Einfamilienhaus-Dachanlagen, aber auch große Solarparks lassen sich während des Betriebs schnell und zuverlässig auf Mängel oder Schäden untersuchen Abb. 1. Die schnelle, berührungslose und zerstörungsfreie IR-Messtechnik deckt Produktionsfehler, Beschädigungen und Defekte an Solarmodulen sowie Verschattungsprobleme oder Verschaltungsfehler an Solaranlagen auf Abb. 2. Sowohl für Detailaufnahmen auf Modul- und Zellebene, als auch für die schnelle Überprüfung von Megawatt-Anlagen mit mehreren tausend Quadratmetern Kollektorfläche sind Thermografie-Kameras ideale Werkzeuge.

Kleine Fehler, große Wirkung

Viele Photovoltaik-Anlagen sind schon mehrere Jahre am Netz. Doch wer kann schon genau sagen, ob die Leistung noch stimmt? Teilweise werden Erträge zwar am Jahresende überprüft, doch aufgrund unterschiedlicher Sonnenstunden, Ausrichtungen oder Verschattungssituationen lassen sich auch gleichartige Anlagen kaum miteinander vergleichen. Deshalb können nur schwerwiegende Defekte festgestellt werden.

Gerade bei Großanlagen sind aber periodische Untersuchungen unerlässlich Abb. 3, denn auch kleine Störungen können in der Summe große Verluste verursachen. Teilausfälle von 10 bis 15 % generieren bereits Mindererträge, die eine komplette Anlage während einer 20-jährigen Laufzeit unrentabel machen können. Dem kann die Infrarottechnik vorbeugen. Schon mit einem kurzen Kameraschwenk lassen sich Probleme erkennen, noch bevor es zu ernsthaften Störungen oder gar Ausfällen und damit zu empfindlichen Ertragseinbußen für den Betreiber kommt.

Die PV-Thermografie dient aber nicht nur der Qualitäts- und Produktivitätssicherung, sondern auch dem vorbeugenden Brandschutz: Modul- oder Anschlussfehler können im Extremfall Brände auslösen und Anlagen oder Anlagenteile zerstören. Einige herstellungs- oder installationsbedingte Fehler wie Zelleinschlüsse, Zellrisse, Delaminationen (Schichtablösungen) oder fehlerhafte Kabelanschlüsse sind auch optisch ohne weitere Hilfsmittel erkennbar. Vieles bleibt dem Auge aber verborgen und wird erst messtechnisch nachweisbar: So kann man etwa mit der Kennlinienmessung einzelnen Modulen oder Modulsträngen genauer auf den Zahn fühlen. Dabei muss jedoch in den Stromkreis eingegriffen werden, was zeitaufwendig ist, den Anlagenbetrieb stört und eventuell selbst eine Fehlerquelle darstellen kann.

Auch mit Anlagenüberwachungssystemen und Datenloggern zur kontinuierlichen Aufzeichnung von Anlagendaten sind Qualitätskontrollen möglich. Damit lassen sich jedoch nur Verluste in einer Größenordnung ab 1 kW erkennen. Deshalb ist die Solarbranche schon länger auf der Suche nach einer Methode, bei der nicht in die Anlage eingegriffen werden muss und mit einer Messung viele Module überprüft werden können.

Untersuchungen, unter anderem des bayrischen Zentrums für Angewandte Energieforschung [1] konnten nachweisen, dass sich die Infrarot-Messtechnik auch für die Überprüfung von PV-Modulen eignet. Überprüft werden können darüber hinaus auch Anlagenkomponenten, wie elektrische Verbindungen oder Wechselrichter. Sinnvoll sind Überprüfungen sowohl unmittelbar nach der Anlagen-Inbetriebnahme als auch im Rahmen regelmäßiger Inspek­tionen: Sind alle elektrischen Anschlüsse korrekt? Weisen Komponenten thermische Auffälligkeiten auf? Gibt es transport-, lagerungs- oder montagebedingte Schäden? Hat der Anlagenbetrieb schon seine Spuren hinterlassen? Auf diese und weitere Fragen findet die PV-Thermografie schnell eine Antwort.

Anspruchsvolle Messobjekte

Nicht jede Thermografiekamera eignet sich jedoch für die Kontrolle von PV-Anlagen, denn an die Kameratechnik werden bestimmte Ansprüche gestellt. So sollte die Kamera zunächst über eine thermische Empfindlichkeit (NETD-Wert) von mindestens 0,08 K verfügen, damit auch kleinste Temperaturunterschiede aufgedeckt werden können. Für die Untersuchung größerer Anlagenflächen ist eine Detektorauflösung von mindestens 320 × 240 Pixeln erforderlich. Sinnvoll ist eine Wechseloptik, damit man sowohl Detail- als auch Übersichtsaufnahmen – zum Beispiel von einer Hebebühne – machen kann. Kameras, die diesen Anforderungen genügen, kosten mindestens 10000 Euro.

Besser geeignet sind Kameras mit noch höherer thermischer Empfindlichkeit (0,06 K) und Detektorauflösung (ab 640 × 480 Pixel) oberhalb der 15000-Euro-Grenze. Da bei der PV-Anlagenmessung die Temperaturunterschiede erheblich sein können (Minusgrade am den Himmel reflektierenden Aluminiumrahmen, Plusgrade an defekter Zelle), sollte eine manuelle Temperaturskalierung (Level und Span) möglich sein. Das vereinfacht die Aufnahme thermisch kontrastreicher Thermogramme.

Eine eingebaute oder separate, möglichst hoch auflösende optische Digitalkamera Abb. 4 erleichtert die Zuordnung und Auswertung der Thermogramme. Ein dreh- und schwenkbares Display ermöglicht bequeme Über-Kopf-Aufnahmen. Außerdem sollte die Kamera über einen optischen Sucher verfügen, denn auf dem häufig auch noch spiegelnden LC-Display lässt sich bei starker Sonneneinstrahlung kaum etwas erkennen.

Weitere nützliche Kamerafunktionen können die Aufzeichnung von Sprachnotizen oder die Geo-Referenzierung von Wärmebildern per GPS-Technik sein. Damit lassen sich fehlerhafte Module in großen Solarparks einfacher lokalisieren und in den Berichten die Infrarotaufnahmen besser den Modulen zuordnen. Doch nicht nur die Kamera – auch die Bedienperson muss bestimmte Voraussetzungen erfüllen: Sie muss zunächst Wissen aus den Bereichen Bau-, PV- und Elektrothermografie mitbringen. Nur mit fundierten Kenntnissen aus diesen Fachgebieten können Fehler an Photovoltaik-Anlagen erkannt und richtig beurteilt werden. Über die rein technische Bedienung hinaus muss die Messperson mögliche Fehlerquellen und Grenzen der Thermografie kennen sowie die Messergebnisse korrekt interpretieren können. Schließlich sollte das Messpersonal nach DIN 54162 / DIN EN 473 in den Stufen 2 oder 3 zertifiziert sein [2].

Voraussetzungen vor Ort

Die wichtigste Voraussetzung für eine thermografische Untersuchung von PV-Modulen ist eine ausreichende Sonneneinstrahlung. Das ist die momentane Energieeinwirkung auf eine Fläche in kW/m². Sie lässt sich beispielsweise mit einem einfachen Photodetektor oder einem präziseren Pyranometer, möglichst unmittelbar am Solarmodul messen. Einen halbwegs ausreichenden thermischen Kontrast für die Inspektion von Solarzellen vor Ort erhält man bei einer Sonneneinstrahlung von mindestens 0,5 kW/m². Bestimmte Messaufgaben, wie etwa die Überprüfung von Dünnschichtmodulen mit geringem Wirkungsgrad, können dagegen Strahlungsintensitäten von über 0,8 kW/m² erfordern [3].

Standort und lokale Wetterbedingungen üben ebenfalls einen Einfluss aus. Deshalb sollte man im Vorfeld Informationen über die Lage, das Umfeld und die Zugänglichkeit der Anlage ( http://www.maps.google.de https://www.bing.com/maps etc.) Abb. 5 sowie detaillierte Wetterprognosen, ergänzt durch Echtzeit-Regenradarbilder einholen ( http://www.wetter.com https://www.wetteronline.de/ etc.). Da Wolken die Sonneneinstrahlung verringern und zusätzlich störende Reflexionen verursachen, sollte der Himmel möglichst wolkenlos sein. Jeder Luftstrom auf der Solarmodul-Oberfläche führt zu einer die Messung verfälschenden Abkühlung durch Konvektion. Deshalb ist ein windstiller Tag optimal. Je niedriger die Lufttemperatur ist, desto höher ist der erzielbare thermische Kontrast.

Eine optimale Tageszeit für thermografische Untersuchungen im Sommer können daher frühe Morgen- oder späte Abendstunden sein, sofern die Sonneneinstrahlung ausreicht. Bei kleinen Hausanlagen sind eine Leiter oder das gegenüberliegende (Dach-)Fenster des Nachbarhauses probate Hilfsmittel, um eine geeignete Aufnahmeposition zu erhalten. Bei Großanlagen im Megawatt-Bereich verschaffen manchmal Bäume, Wälle, Hügel oder Wechselrichter-Häuschen die gewünschte Übersicht. Meist lassen sie sich jedoch nur von der Hebebühne aus vollständig erfassen. Zu beachten ist, dass die Hebebühnen-Miete mit dem PV-Betreiber und nicht zuletzt mit den Wetterprognosen koordiniert werden sollte. Probleme bei der Aufstellung von Hebebühnen können Hanglagen oder eine unzureichende Geländeverdichtung bereiten.

PV-Thermografiepraxis

In der Regel werden PV-Anlagen im Lastbetrieb untersucht. Je nach Solarzellentyp und Art des Defekts können aber auch Messungen im Leerlauf oder Kurzschluss zusätzliche Informationen liefern. In jedem Fall sollte man sich vor der thermografischen Untersuchung über den Betriebszustand der Anlage Gewissheit verschaffen: entweder durch einen Blick auf den Wechselrichter oder – nach einer ersten thermografischen Aufnahme – durch Abschattung einer Modulzellen-Hälfte. Zeigt eine zweite Aufnahme, dass diese nach etwa einer halben Minute heiß läuft, ist die Anlage in Betrieb.

Bei der Messung müssen mehrere Parameter eingestellt, respektive bei der Interpretation berücksichtigt werden: Am wichtigsten für eine korrekte Angabe absoluter und relativer Temperaturen im Thermogramm sind der Emissionsgrad und die Reflexionstemperatur. Der Emissionsgrad (ε-Wert) gibt an, wie viel IR-Strahlung eine Oberfläche aufgrund ihrer Temperatur aussendet, respektive wie viel sie aus ihrer Umgebung reflektiert. Für PV-Module liegt er bei „0,85“ (für Glas), bei einem für die Messung optimalen Betrachtungswinkel zwischen 90° (senkrecht) und 45°.

Die Reflexionstemperatur (RTC-Wert) steht für die Temperatur der reflektierten Strahlung, die aus der Umgebung auf das Messobjekt fällt und von ihm reflektiert wird. Nicht zu verwechseln ist diese Größe mit der Lufttemperatur, die nur bei großen Objektentfernungen relevant ist. Da man bei der PV-Thermografie quasi den Himmel thermografiert, hat man es in der Regel mit einer Reflexionstemperatur unter den Gefrierpunkt, bei klarem Himmel zwischen –30 und –50 °C zu tun.

Weitere, für die Messung und Interpreta­tion relevante Parameter können der Objektabstand, die Windgeschwindigkeit, die Luftfeuchtigkeit, die Sonneneinstrahlung auf Generator­ebene, der Modul-Wirkungsgrad und andere Faktoren sein. Bei der Kameraaufstellung ist zu berücksichtigen, dass weder die Messperson noch die Kamera Modulbereiche verschatten, sich im Modul spiegeln oder die Sonnenstrahlen in Kamerarichtung reflektiert werden.

Alle IR-Aufnahmen sollten zusätzlich durch Digitalkamera-Fotos dokumentiert werden, um die spätere Auswertung und Interpretation zu vereinfachen. Bei größeren Anlagen solle man ferner einen Anlagen-/Stringplan mitführen. Er hilft, die Übersicht zu behalten und die besten Kamerastandpunkte auszuwählen. Lokalisierte Fehler sollte man darin penibel eintragen, sonst läuft man Gefahr, die Übersicht zu verlieren. Stichwort Kamerastandpunkt: Bei seiner Wahl spielt der Messabstand und der Bildausschnitt eine wichtige Rolle: Beide ergeben sich aus dem Bildfeld der Kamera und dem sogenannten IFOV-Wert (auch geometrische Auflösung genannt). Letzterer ist abhängig vom aktuell verwendeten Objektiv und ermöglicht die Ermittlung der kleinsten erkennbaren Messobjekt-Größe (d.h. eine Modulzelle, 156 × 156 mm), in Abhängigkeit vom Messabstand. Wird das Bildfeld der Kamera optisch vergrößert, (z.B. durch einen Weitwinkelvorsatz), verringert sich die geometrische Auflösung. All diese Zusammenhänge müssen, um messtechnisch bedingte Fehler zu vermeiden, in der Praxis beachtet werden.

Häufige Fehlerquellen

Ähnlich wie bei der Gebäudethermografie, lauern neben Messfehlern auch Interpretationsfehler an jeder Ecke. Diesen kann man am besten durch Wissen und Erfahrung begegnen. Die häufigste Fehlerursache sind Reflexionen auf der Glasoberfläche des PV-Moduls. Obwohl Glas mit 0,85 einen relativ hohen Emissionsgrad besitzt, sind thermische Messungen auf Glasoberflächen nicht einfach. Glas reflektiert in der Regel gerichtet, d.h. Objekte aus der Umgebung, die eine abweichende Temperatur aufweisen, sind deutlich im Wärmebild zu erkennen.

PV-Anlagen lassen sich nur dann untersuchen, wenn der Beobachtungswinkel nicht zu flach ist Abb. 6. Beträgt der Winkel weniger als 30°, vereiteln Reflexionen (Himmel, Sonne, Wolken, umliegende Bebauung und Vegetation) eine zuverlässige Temperaturmessung. Sie lassen sich übrigens am besten durch zwei Aufnahmen aus unterschiedlicher Position entlarven. Eine weitere Möglichkeit sind IR-Aufnahmen von hinten: Auf Freiflächen montierte PV-Module können häufig auch von der Rückseite untersucht werden Abb. 7. Dadurch lassen sich einerseits störende Reflexionen ausschließen, andererseits sind auch kleine Fehler aufgrund höherer Temperaturkontraste besser detektierbar. Das liegt unter anderem daran, dass auf der Rückseite die Wärmestrahlung nicht durch eine das Modul schützende, 4 mm starke Glasschicht behindert wird. Doch Vorsicht! Diese Perspektive ist nicht ungefährlich, denn der direkte Blick in die Sonne kann schnell die Kamera zerstören. IR-Detektoren sind sehr empfindlich gegenüber direkter Sonneneinstrahlung. Weitere Fehlerquellen sind eine falsche Kameraeinstellung (Emissionsgrad, Reflexionstemperatur), die thermische Trägheit von PV-Modulen oder eine durch wechselnde Bewölkung bedingte, fluktuierende Sonneneinstrahlung.

Interpretation und Auswertung

Die Interpretation von Thermogrammen ist wohl der heikelste Teil der PV-Thermografie. Zum einen können Messfehler (siehe oben) zu Fehlinterpretationen führen, zum anderen erfordert sie PV-Fachwissen (Modul-Herstellung, Solarzellen-/Modulaufbau, Anlagenbau, Verschaltung etc.). Nicht zuletzt ist Erfahrung und fast schon kriminalistischer Spürsinn erforderlich, um echte Schäden von banalen, durch Reflexionen oder temporäre Einflüsse bedingte Effekte unterscheiden und richtig einschätzen zu können.

Für die Auswertung, Optimierung und Nachjustierung der Thermogramme und deren Zusammenstellung zu aussagekräftigen und nachvollziehbaren Berichten offerieren die Anbieter von IR-Kameras spezielle Auswertungssoftware Abb. 8 – für die korrekte Deutung und Auslegung ist alleine der Thermograf zuständig. Theo­retisch ist alles ganz einfach: Werden Teile des Solarmoduls aufgrund elektrischer Defekte heißer als andere, können sie per Wärmebild detektiert werden.

Je nach Form und Lage können diese heißen Stellen und Bereiche Anzeichen für unterschiedliche Defekte sein. Doch viele im Thermogramm erkennbare Anomalien lassen per se nicht auf eine eindeutige Fehlerursache schließen. Während die Erwärmung mehrerer einzelner Zellen in einem Modul (sogenanntes Patchwork-Muster Abb. 9) meist durch defekte Bypass­dioden, interne Kurzschlüsse oder Zellmissmatch verursacht wird, kann ein Hot Spot (lokale Überhitzung einer einzelnen Solarzelle Abb. 10) im PV-Modul sowohl auf eine, etwa durch eine Verschmutzung bedingte, partielle Abschattung Abb. 11 als auch auf einen Zellriss hinweisen. Lässt die IR-Aufnahme keine eindeutige Interpreta­tion zu, muss nach den Fehlerursachen mit anderen Methoden (Sichtprüfung, elektrische Kennlinienmessung, Elektrolumineszenz-Verfahren etc.) geforscht werden.

Sofern möglich, können auch unter Last-, Leerlauf- und Kurzschlussbedingungen aufgenommene Wärmebilder miteinander ver­glichen werden. Ganz grob werden Schadensbilder nach herstellungs- und transportbedingten Defekten, installationsbedingten Fehlern oder während des Betriebs entstandenen Schäden unterschieden. Hilfreich bei der Einschätzung ist das Studium beispielhafter Schadensbilder von verschiedenen Anlagen und Situa­tionen . Tabellarische Übersichten über Schadensbilder, Ursachen, die Schadensrelevanz sowie mögliche Maßnahmen bieten einschlägige Publikationen [4, 5].

Fazit: PV-Thermografie ja, aber…

Die PV-Thermografie ist ein Trendthema, weshalb ein- oder zweitägige PV-spezifische Schulungen inzwischen häufiger, unter anderem von PV- und Kamera-Herstellern, Verbänden oder Vereinen wie der DEN-Akademie des Deutschen Energieberater-Netzwerks oder der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) angeboten werden (Auswahl siehe Info-Kasten). Die Kosten liegen zwischen 300 und 600 Euro (ein- oder zweitägig).

Die Photovoltaik kann tatsächlich das Geschäftsfeld von Thermografen erweitern. Wer die PV-Thermografie jedoch lediglich als willkommene Zusatz-Einnahmequelle zur Bauthermografie, die lediglich in den Wintermonaten „Saison“ hat, sieht, sollte lieber die Finger davon lassen. Die PV-Thermografie setzt nämlich Fachwissen, viel Erfahrung und eine überdurchschnittliche Kameratechnik voraus. Ist auch nur eine dieser Voraussetzungen nicht gegeben, ist es sinnvoller einen auf dieses Thema spezialisierten Thermografen zu beauftragen. Eine übersichtliche, nach PLZ-Bereichen sortierte Liste kompetenter Thermografen sowie deren Zertifizierung und Spezialisierung enthält die Seite des Bundesverbands für Angewandte Thermografie ( http://www.vath.de ). Marian Behaneck

Thermografie-Kameras

In TGA 10-2011 wurden in einer Marktübersicht Thermografie-Kameras in zwei Preisklassen vorgestellt und aufgezeigt, wie die Kameras funk­tionieren und worauf man beim Kauf achten ­sollte (Webcode 331748).In TGA 11-2011 folgte eine Übersicht mit Thermografie-Software (Webcode 335132).

Literatur und Quellen

[1] ZAE Bayern: Abschlussbericht der Machbarkeitsstudie zur Überprüfung der Qualität von Photovoltaik-Modulen mittels Infrarot-Aufnahmen. Erlangen: 2007

[2] DIN 54162 / DIN EN 473: Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal für die thermografische Prüfung – Allgemeine und spezielle Grundlagen für Stufe 1, 2 und 3. Berlin: Beuth Verlag, 2006

[3] Weinreich, B.: Wärme entlarvt den Fehler. Bielefeld: Bielefelder Verlag, Sonne, Wind & Wärme 14-2010

[4] InfraTec: Schulungsunterlagen zum Seminar PV-Thermografie, ­Infratec GmbH. Dresden: 2012

[5] Schindel, B.: Thermografie in der Photovoltaik: Mit dem Auge der Schlange. Stuttgart: Gentner Verlag, Gebäude-Energieberater 10-2011

[6] Flir Technik-Bericht: Wärmebildkameras – ein schnelles und ­zuverlässiges Werkzeug für die Überprüfung von Solarmodulen, FLIR Commercial Systems B.V., Breda

[7] Konrad, F.: Planung von Photovoltaik-Anlagen: Grundlagen und Projektierung. Wiesbaden, Vieweg+Teubner, 2008

[8] Mertens, K.: Photovoltaik, Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis. München: Carl Hanser, 2011

PV-Thermografie-Seminare (Auswahl)

http://www.den-akademie.de (Rubrik: Programm)

http://www.dgs-berlin.de (Rubrik: Arbeitsfelder | SolarSchule Berlin)

http://www.icodata.de (Rubrik: Schulungen)

http://www.infratec.de (Rubrik: Thermografie | Schulungen & Messetermine)

http://www.irtraining.eu (Rubrik: Kurstermine)

http://www.solarschmiede.de (Rubrik: Engineering | Thermografie)

http://www.testo.de (Rubrik: Training & Seminare)

http://www.vath.de (Rubrik: Ausbildung | Lehrgänge)

IR-Kamera-Anbieter (Auswahl)

http://www.dias-infrared.de

http://www.flir.de

https://www.fluke.com/de-de

http://www.icodata.de

http://www.infratec.de

http://www.nec-avio.de

https://www.testboy.de/

http://www.testo.de

https://de.trotec.com/

https://www.warensortiment.de/

• IR-Kamera mit mind. 0,08K thermischer Auflösung und 320 × 240 Pixel Detektorauf­lösung (besser: 0,06 K und 640 × 480 Pixel).
• Messparameter Emissionsgrad und Refle­xionstemperatur korrekt einstellen und geometrische Auflösung berücksichtigen!
• Gläser und Metalle spiegeln die Temperaturverteilung der Umgebung wider, das kann zu Fehlinterpretationen führen.
• Bei Bedarf sollten weitere Messverfahren/ -geräte herangezogen werden (Multimeter, Kennlinien-Messgerät etc.).
• Häufige Fehlerquellen: zu flacher Betrachtungswinkel, Reflexionen, Teilverschattung, fluktuierende Sonneneinstrahlung.
• Achtung: Kameradetektor unbedingt vor ­direkter Sonneneinstrahlung schützen!