Photovoltaik Thermografie (Prüfung von Solarzellen)

Solarzelleninspektion mit Infrarot Wärmebildkameras,
konventionellen bildgebenden Thermografieverfahren
Das Prüfen von Solarzellen via Infrarot-Thermografie ist seit mehr als einem Jahrzehnt Standard und gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil dieses Verfahren relativ schnell und mit einer einfachen und kostengünstigen Ausstattung zu Lösen ist. Eine IRThermokamera ist im Grunde ein Videoaufnahmegerät, welches jedes Einzelbild oder gespeicherte Sequenz radiometrisch betrachtet in einer verschobenen Wellenlänge thermisch skaliert und für die Temperaturbewertung bereithält. Der digitale Inhalt einer jeden Aufnahme ist somit jederzeit verfügbar und kann einschließlich der Temperaturdaten an geänderte Stahlungsverhältnisse und atmosphärischen Einwirkungen, auch im Nachhinein, einfach angepasst werden.

Vertrauen ist gut, aber Kontrolle ist besser!
Damit die einwandfreie Funktion PV-Anlagen gewährleistet werden kann, müssen Feuchte-Wärme-Prüfung (Damp Heat), Temperaturwechselprüfung (Thermal Cycling), Feuchte-Frost-Prüfung (Humidity Freeze), UV-Prüfung (UV Exposure), Isolationsprüfung (Insulation), Kriechstromprüfung unter Benässung (Wet Leackage Current) und mechanische Belastungsprüfung (Mechanical Load) vorangegangen sein, welche teils produktionsprozessbegleitend bereits vorangehen.
Bereits im verbauten Zustand direkt während und nach der Montage kann die Defektsuche nach Anomalien beginnen. Korrekte thermografische Abbildungen von Photovoltaik-Zellen offenbaren schnell und zielgerichtet bspw. Shunt Effekte und Asymmetrien nur durch Beobachtung der Temperatur der Zelle unter typischen Betriebsbedingungen. Kurzschlüsse, fehlerhafte Kontaktierung und Kriechstromeffekte lassen sich durch thermische Veränderung eingrenzen und diagnostizieren. Thermografie-Aufnahmen machen Anomalien durch Verunreinigungen (Shunts) schnell sichtbar. Isolationsfehler, Kontaktüberhitzung und Diffusionsschäden können mittels der Wärmebildtechnik lokalisiert, dargestellt und näher analysiert werden.

Die Empfindlichkeit und thermische Auflösung von Thermografiekameras wird durch die Detektorempfindlichkeit bzw. dem Signal-/Rauschverhältnis (die kleinste zu messende Temperaturdifferenz, sprich NETD) begrenzt. Das NETD für Thermokameras mit moderner ungekühlter Mikrobolometertechnik liegt zwischen ca. 200mK bis zu Spitzenwerten von 20mK.

Der Effekt des sog. Shunt-Widerstand bzw. Nebenschlusswiderstand ist aufgrund der thermischen Diffusion, die Ausbreitung von thermischer Energie im Laufe der Zeit, sowie die schwache Wärmestrahlung des Mangels selbst, nur schlecht sichtbar und dessen Ursache schwierig. Man empfiehlt deshalb Wärmebildkameras mit niedrigem NETD und hoher geometrischer Auflösung.

Definition
Ein Shunt-Widerstand oder Nebenschlusswiderstand wird in der Messtechnik zur Messbereichseinstellung, also der Umschaltung zwischen den Messbereichen, und zur Messbereichserweiterung von Messgeräten eingesetzt. Der Shunt-Widerstand leitet den überschüssigen Strom am Messwerk vorbei. Für größere Ströme von einigen Ampere (A) bis zu hunderten Ampere fertigt man getrennte Nebenschlusswiderstände. Ein Shunt-Widerstand wird aus temperaturunabhängigen Widerstandswerkstoffen gefertigt.
Berechnet wird ein Shunt-Widerstand nach dem ohmschen Gesetz und zwar aus der Differenz zwischen dem Gesamtstrom und dem Strom, der durch das Messgerät fließt. In der Formel ergibt sich der Wert für den Shunt-Widerstand (Rp) aus dem Quotienten zwischen dem Messgerätestrom (Im) und dem Differenzstrom multipliziert mit dem Innenwiderstand des Messgerätes (Rm).

Die Tageslichtfotografie und Videotechnik sind weitgehend wirkungslos weder Fehler zu detektieren, diese noch zu lokalisieren bzw.  analysieren. Die Fotografie gibt jedoch brauchbare Informationen über die Größe und Örtlichkeit von Fehlern. Deshalb ist heute eine leistungsfähige Infrarot Wärmebildkamera mit beiden Alternativen ausgestattet. Gute Systeme können sogar Infrarot Thermobilder und Fotografie mischen und dies sogar kongruent durchdringend, meist noch mit der Möglichkeit die Transparenz in % bestimmen zu können.

Eine Variation in der konventionellen Thermografie den thermischen Übergang kontrastreicher darzustellen und etwaige Anomalien temperaturseitig abzugrenzen, ist eine Wärmelampe in Verbindung mit der Wärmebildkamera. Mit einem künstlichen zusätzlich generierten Wärmeeintrag, kann unter Umständen die thermische Abgrenzung von Cracks oder Verunreinigungen etc. durch die unterschiedliche und unterbrochene Wärmeleitfähigkeit sichtbar gemacht werden.

Eine weitere, jedoch komplexere Stufe in der quantitativen Wärmebildtechnik sind die Lock-in-Thermografie-Systeme. Ziel ist die Minimierung von thermischer Diffusion, durch die Verwendung gepulster oder sinusförmiger modulierter Laser- bzw. Mikrowellebasierender Anregungsquellen - wobei diese Aktiv-Thermografie sich alternativ von der Stimulation über Xenon-oder Halogen-Blitzlampe bedient.
Lock-in-Thermographie (LIT) ist in der portablen Nachprüfung keine kommerzielle Lösung und unflexibel. Jedoch werden den Ansprüche in Sachen Analytik von PV und CV Zellen sowie der Bewertung von auftretenden Fehlern nahezu keine Grenzen gesetzt -  im gleichen Maße verhält sich dies leider auch mit dem Ansteigen der Interpretationsmöglichkeiten, sofern die Untersuchungsmethode nicht starr und unflexibel für Massenuntersuchungen stationär eingerichtet werden kann.

Für Solarzelleninspektion empfehlen wir folgende Wärmebildkameras:

NEC Thermo Shot F30 S/W 160x120 Bildpunkte Infrarotaufnahme und Tageslichtphotografie uFPA Kompakt-Wärmebildkamera mit Tageslicht-Fotokamera. Auflösung des IR-Sensors: 160 x 120 Bildpunkte Abmessungen: 10 x 6,5 x 4,5 cm Gewicht: 350g (mit 3AA Li-Ion Akkus) Temperaturauflösung von 0,1K bei 30°C bei Livebild Atmosphärisches Korrekturmodell und Semi Weitwinkel Objektiv mit einem Fokussierbereich von 10cm (Makro) bis unendlich Thermo Shot F30S: Messbereich von -20°C bis 100°C Thermo Shot F30W: Messbereich von -20°C bis 350°C

NEC Thermo GEAR G30 160x120 Bildpunkte Infrarotaufnahme und Tageslichtphotografie uFPA IR-Thermografiekamera mit grossem LC-Display, SD Memory Card Wechseldatenträger und USB2 Schnittstelle, Li-Ion-Langzeitakku im Einschub, Tageslichtphotografie, Auflösung des IR-Sensors: 160 x 120 Bildpunkte Gewicht: 350g Temperaturauflösung von 0,1K bei 30°C bei Livebild Atmosphärisches Korrekturmodell und Semi Weitwinkel Objektiv mit einem Fokussierbereich von 10cm (Makro) bis unendlich Thermo GEAR G30: Messbereich von -20°C bis 350°C

NEC Thermo GEAR G100EX 320x240 Bildpunkte Q-VGA 320x240 Pixel + Voll-Autofokus + Sprachaufzeichnung + Lasermarker + 3-Step Image Fusion Funktion + LED-Objektleuchte + 800g Leichtgewicht + 4 Std Akku Betrieb + Multilinguale Bedieneroberfläche + Weitwinkelobjektiv + Makroobjektiv-Funktion + Radiometrische JPG Speicherung + SD-Card Drive + Alarm I/O Anschlüsse + Staub-& Spritzwasserschutz (IP54) uFPA IR-Thermografiekamera mit Semi-Weitwinkel Objektiv 32° (H) x 24° (V) f=14mm mit Makrofunktion (10cm bis ∞) und flexiblem 3,5“ LCD-Display, SD-MemoryCard Wechsel-datenträger, Li-Ion-Langzeitakku, integriertem Laser-Visier (Class2) mit 2MP-Tageslicht-photografie, Voice Recorder und Video Ausgang. Auflösung des IR-Sensors: 320 x 240 Bildpunkte Temperaturauflösung von 0,04K bei 30°C Temperaturmessbereich von -40°C bis 1.500°C Reichhaltige Messfunktionen, Emissionswert- und atmosphärische Korrekturmodelle

NEC Thermo GEAR G120EX 320x240 Bildpunkte GYRO Panorama Bildfunktion + Vibrationsalarm + SD Card Intervall Recorder ≥10Hz Q-VGA 320x240 Pixel + Voll-Autofokus + Sprachaufzeichnung + Lasermarker + 3-Step Image Fusion Funktion + LED-Objektleuchte + 800g Leichtgewicht + 4 Std Akku Betrieb + Multilinguale Bedieneroberfläche + Weitwinkelobjektiv + Makroobjektiv-Funktion + Radiometrische JPG Speicherung + SD-Card Drive + Alarm I/O Anschlüsse + Staub-& Spritzwasserschutz (IP54) uFPA IR-Thermografiekamera mit Semi-Weitwinkel Objektiv 32°(H) x 24°(V) f=14mm mit Makrofunktion (ab 10cm) und flexibelem LC-Display, SD-Memory Card Wechseldatenträger, Li-Ion-Langzeitakku, integriertem Laser-Visier (Class 2) mit 2M-Pixel Tageslichtfotografie, Voice Recorder und Video Ausgang. Auflösung des IR-Sensors: 320x240 Bildpunkte Temperaturauflösung von 0,04K bei 30°C Temperaturmessbereich von -40°C bis 1.500°C Reichhaltige Messfunktionen, Emissionswert- und atmosphärische Korrekturmodelle

NEC Thermal Imager R300 PANORAMA VOx Detektor Q-VGA 320x240 Pixel + Voll-Autofokus + Sprachaufzeichnung + Lasermarker + LED-Objektleuchte + 800g Leichtgewicht + 4 Std Akku Betrieb + Multilinguale Bedieneroberfläche + Weitwinkelobjektiv + Makroobjektiv-Funktion + Radiometrische JPG Speicherung + SD-Card Drive + Alarm I/O Anschlüsse GYRO Panorama Bildfunktion + Vibrationsalarm + SD Card Intervall Recorder ≥10Hz + 3 Step Image Fusion Funktion + Staub-& Spritzwasserschutz (IP54) Die exklusive ungekühlte uFPA IR-Thermografiekamera, ausgestattet mit modernster Sensorik brillanter optischer Ausstattung und komfortablen Bildverarbeitungsfunktionen mit 3,5" TFT- Display, Farbsucher, integrierter Tageslichtkamera im Objektive und integriertem Realtime Bildspeicher. Temperaturauflösung bei 60Hz ~0,05K, ~0,025K SN-I bei 30°C Aussergewöhnlich hohe Genauigkeit von +/-1°C bzw. +/-1% of reading Messbereich von -40°C bis 500°C (bis 2000°C optional)

NEC Thermal Imager H2640 640x480 Bildpunkte VOx Detektor Die professionelle ungekühlte HighRes uFPA IR-Thermografiekamera, ausgestattet mit hochaufgelöster Sensorik, außergewöhnlicher optischer Ausstattung und komfortablen Bildverarbeitungsfunktionen mit brillantem 5.6" LCD, Farbsucher, integrierter hochauflösender Tageslichtkamera im Objektiv und integriertem Realtime Videobildspeicher. Temperaturauflösung ~0.05K bei 30Hz, ~0,02K SN-I bei 30°C Messbereich von -40°C bis 500°C (2000°C)

NEC Thermo Tracer TH9100 WB/WBG Die modulare ungekühlte uFPA Infrarotkamera, ausgestattet mit modernster Sensorik brillanter optischer Ausstattung und komfortablen Bildverarbeitungsfunktionen mit TFT- Display, Farbsucher, integrierter Tageslichtkamera im Objektiv und Realtime Bildspeicher. Auflösung des IR-Sensors: 320 x 240 Bildpunkte. Hitzeschild, Breitband bei verschiedenen Wellenlängen. Temperaturauflösung bei 30°C ~0,08K bei 60 Hz TH9100 WB: Messbereich von -40°C bis 500°C (bei 3,8µm bis 2000°C - Through flame) TH9100 WBG: Messbereich von -40°C bis 500°C (bei 7,7µm bis 2000°C - Glass temperature)