Zastosowanie kamer termowizyjnych do inspekcji instalacji PV
Fot. 1. Instalacja fotowoltaiczna na fasadzie budynku
W ostatnich latach można zaobserwować znaczny wzrost liczby instalacji fotowoltaicznych wytwarzających energię elektryczną zarówno w budynkach mieszkalnych, jak i niemieszkalnych, oraz farm fotowoltaicznych. W następnych latach coraz większe znaczenie będzie miało wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Według prognoz IEO do 2025 r. wybudowane instalacje PV będą produkować nawet 7,9 GW energii elektrycznej. Ciekawostką jest, że według danych PSE w dniu 11.05.2021 r. o godzinie 13 w krajowym systemie elektroenergetycznym było produkowane 3411,213 MWh energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznych.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński, mgr inż. Grzegorz Dymny Zastosowanie kamer termowizyjnych do oceny wykonania instalacji elektrycznej
Przez ostatnie stulecie zbudowano wiele urządzeń pomiarowych w zakresie podczerwieni, ale największe możliwości i popularność zyskały rozwiązania w połączeniu z technikami dwuwymiarowego obrazowania. Pozwalają...
Przez ostatnie stulecie zbudowano wiele urządzeń pomiarowych w zakresie podczerwieni, ale największe możliwości i popularność zyskały rozwiązania w połączeniu z technikami dwuwymiarowego obrazowania. Pozwalają one poznawać świat „widziany” w tym zakresie spektralnym własnymi oczami.
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Z biegiem czasu wiele instalacji traci część pierwotnie zainstalowanej mocy, co prowadzi do spadku ilości wytwarzanej energii. Pojedyncze ogniwa mogą ulec awarii, ważne komponenty, takie jak falownik, mogą być uszkodzone przez gryzonie lub ptaki. W konsekwencji – oprócz obniżonych uzysków – miejscowe przegrzanie komórek panelu PV lub wystąpienie łuku elektrycznego może spowodować jego uszkodzenie i ostatecznie doprowadzić również do pożaru. Dzięki termowizji usterki te można łatwo zlokalizować dzięki ich sygnaturze termicznej, a następnie podjąć odpowiednie działania naprawcze. Ze względu na różnorodność producentów instalacji fotowoltaicznych, które są obecnie na rynku, wiele defektów może wykazywać różny kształt i obraz termiczny.
W artykule:
|
StreszczenieArtykuł omawia warunki wykonywania pomiarów instalacji PV za pomocą kamery termowizyjnej. Na przykładach pokazane zostały wybrane defekty i zakłócenia, które mogą być wykryte przy zastosowaniu kamery termowizyjnej. |
AbstractThe using of infrared cameras to evaluate the quality of the PV installationThe article discusses the conditions for measurement using a thermal imaging camera. Attention will be paid to the used and their parameters. |
Przetworniki pomiarowe
Można powiedzieć, że praktycznie każde ciało jest źródłem promieniowania cieplnego. Widmo tego promieniowania jest widmem ciągłym od fal rentgenowskich aż po mikrofale. W tym zakresie znajduje się również pasmo podczerwieni (obejmujące w swym zakresie fale λ o długościach od 780 nanometrów do 1 milimetra). Warto przy tym zauważyć, że ciała o temperaturze pokojowej emitują najwięcej promieniowania o długości fali rzędu 10 μm. Oczywiście rzeczywiste obiekty nie tylko emitują to promieniowanie, ale również je częściowo pochłaniają, przepuszczają oraz odbijają [1, 2].
Do celów pomiarowych wykorzystuje się pewną część pasma w zakresie od 2 do 14 μm z wyłączeniem przedziału 5,6-7,5 μm. Spowodowane jest to silnymi własnościami tłumiącymi atmosfery, a głównie obecnością dwutlenku węgla i pary wodnej. Najczęściej stosowane są dwa zakresy spektralne: 2-5 μm oraz 7,5-14 μm. Produkowane obecnie kamery termowizyjne z detektorami niechłodzonymi pracują zwykle w zakresie 7,5-14 μm [1, 3].
Emitowany strumień promieniowania cieplnego jest zazwyczaj różny dla różnych obiektów i zależny od ich własności fizyko-chemicznych. I nawet gdy temperatura tych ciał jest taka sama, każdy z obiektów ma określoną, własną zdolność do emitowania promieniowania, którą to zdolność opisuje się współczynnikiem zwanym emisyjnością. Emisyjność zależy od temperatury, składu chemicznego, stanu fizycznego powierzchni (chropowatości, warstwy tlenków, zanieczyszczeniach) i wielu innych czynników, a także od kierunku obserwacji. Można stąd wyciągnąć wniosek, że dla pomiaru technikami wykorzystującymi moc promieniowania emitowanymi przez obiekt niepewność określenia emisyjności decyduje o niepewności całego pomiaru.
Czułość kamery termowizyjnej określa, jakie najmniejsze zmiany temperatur jest wstanie wykryć przetwornik kamery. Czułość przetwornika ma istotne znaczenie przy wykrywaniu niewielkich różnic temperatury. Detektory bolometryczne stosuje się w konstrukcji kamer działających w zakresie 7,5-14 μm. Wymiar pojedynczych pikseli w matrycy detektorów wynosi zazwyczaj ok. 17 µm [1, 3].
Najczęściej w praktyce warsztatowej obraz termiczny wykorzystywany jest do obserwacji odstępstw od prawidłowego stanu obiektu lub porównywania kilku obrazów termicznych. Często w takich pomiarach stosowane są stosunkowo proste kamery obserwacyjne, wspomagane specjalnie dostosowanym do potrzeb oprogramowaniem. Warunki pomiarowe niekiedy uniemożliwiają obserwację obiektu z dogodnej odległości i pod dogodnym kątem. W badaniach urządzeń elektroenergetycznych i energetycznych spotykane są zarówno obiekty duże, takie jak kotły, elektrofiltry, kominy, transformatory, jak i obiekty małe, np. nóż odłącznika, przepust izolatora ściennego. Najlepiej gdy kamera zapewnia odpowiednią rozdzielczość rejestrowanych obrazów, przy jednoczesnym dużym polu widzenia. Większość obecnie stosowanych kamer to kamery wyposażone w matryce detektorów o liczbie pikseli: 60×60, 80×80, 120×120, 160×120, 240×180, 320×240, 640×480, 640×512, 1280×1024.
Poprawne wykonanie pomiarów
Pomiary termowizyjne to skomplikowany proces, w którym kluczowymi elementami są wiedza i umiejętności operatora kamery termowizyjnej. Zakup nawet najbardziej zaawansowanej kamery termowizyjnej nie zapewni niedoświadczonemu operatorowi uzyskania wiarygodnych rezultatów. Do poprawnego wykonania pomiarów, a następnie właściwej interpretacji uzyskanych wyników niezbędna jest wiedza o właściwościach cieplnych obserwowanych materiałów.
Każdy z obiektów będących w przestrzeni między kamerą a obserwowanym obiektem emituje pewną ilość promieniowania podczerwonego, pewną absorbuje i przepuszcza, tym samym wpływając na wielkości rejestrowane przez kamerę. Atmosfera, chmury i opady również wysyłają promieniowanie podczerwone, przez co zniekształcają wyniki pomiarów. Oszacowanie zakłóceń powodowanych przez te czynniki jest bardzo trudne [3].
Z reguły większość zakłóceń występujących w środowisku można wyeliminować poprzez odpowiednią kalibrację kamery termowizyjnej i odpowiednie dobranie warunków pomiarów (np. pory dnia lub nocy, nasłonecznienie, brak opadów, mała prędkość wiatru). Zdarzają się jednak sytuacje, w których sygnały zakłócające z otoczenia nie mogą być wyeliminowane. Wówczas operator powinien dobrać odpowiedni obiektyw, zmienić kierunek obserwacji, zmniejszyć dystans do obserwowanego obiektu, usunąć zakłócające źródła ciepła lub ograniczyć ich wpływ.
Promieniowanie słoneczne może w sposób istotny zakłócać pomiary, w szczególności poprzez nagrzanie powierzchni obiektu. Wpływ słońca jest szczególnie uciążliwy dla obiektów o niskiej emisyjności.
Istotnym elementem poprawiającym możliwości i jakość pracy z urządzeniami termograficznymi jest oprogramowanie dostarczane razem ze sprzętem pomiarowym. Dobrej jakości oprogramowanie daje możliwość analizy zarejestrowanych obrazów termograficznych i pozwala na zauważenie prawidłowości, które były niemożliwe do wychwycenia na małym wyświetlaczu kamery. Inną ważną cechą oprogramowania jest możliwość automatycznego generowania raportów, czy nawet automatycznej wstępnej analizy zdjęć termograficznych.
Inspekcja instalacji fotowoltaicznych
Obserwacje instalacji PV bezpośrednio za pomocą kamery termowizyjnej jest utrudnione ze względu na zakłócenia z otoczenia. Należy pamiętać, że wierzchnie szkło w panelu fotowoltaicznym nie jest przezroczyste dla promieniowania 8-14 μm. Mimo, że szkło ma emisyjność 0,85-0,90 w zakresie 8-14 mikrometrów, pomiary termowizyjne na powierzchni szkła nie są łatwe do zrobienia. Występujące odbicia w szkle są lustrzane, co oznacza, że otaczające przedmioty o różnych temperaturach mogą być wyraźnie widoczne w obrazie termicznym. Powoduje to często błędną interpretację obrazów termowizyjnych, które zawierają nieprawdziwe „gorące punkty” oraz błędy pomiarowe. Jak pokażemy dalej odbicie chmury lub odbitego słońca może być potraktowane jako defekt, który w rzeczywistości nie istnieje [4].
Aby uniknąć odbicia kamery termowizyjnej i samego operatora na powierzchni szklanej, kamera IR nie powinna być ustawiona prostopadle do sprawdzanego modułu. Jednak emisyjność jest najwyższa, gdy kamera ustawiona jest prostopadłe, a zmniejsza się wraz ze wzrostem kąta. Dobrym rozwiązaniem jest kąt patrzenia 5-60 ° [1, 4].
Gdy ogniwa słoneczne są kontrolowane od przodu, kamera termowizyjna widzi dystrybucję ciepła na powierzchni szkła, ale tylko pośrednio transmisję ciepła w poszczególnych komórkach panelu PV. Z tego względu różnice temperatur, które mogą być mierzone i obserwowane na powierzchni panelu słonecznego, są małe. Aby te różnice były widoczne, kamera termowizyjna wykorzystywana do kontroli potrzebuje czułości termicznej ≤0.08K. Do wyraźnej wizualizacji małych różnic temperatury w obrazie termicznym, kamera powinna mieć możliwość ręcznej regulacji poziomu emisyjności.
Moduły fotowoltaiczne są zwykle montowane na bardzo refleksyjnej konstrukcji aluminiowej, która przedstawia się jako zimny obszar na obrazie termicznym, ponieważ odbija promieniowanie cieplne emitowane przez niebo. Aby osiągnąć wysoki kontrast obrazu termicznego, będzie potrzebna ciągła ręczna korekcja poziomu i zakresu lub stosowanie kamery z funkcją automatycznej regulacji kontrastu w scenach z wysokim zakresem dynamiki [4].
Kamera termowizyjna powinna mieć wbudowany aparat cyfrowy, który umożliwia rejestrację obrazu w świetle widzialnym (cyfrowe zdjęcie), umożliwiając powiązanie go z obrazem termicznym. Jest to tryb umożliwiający nakładanie obrazów cieplnych i w świetle widzialnym na siebie, co umożliwia łatwą identyfikację miejsca anomalii temperaturowych na powierzchni. Przy tworzeniu raportów mogą okazać się przydatne komentarze głosowe oraz tekstowe, które są zapisywane przez kamerę razem z obrazem.
Fot. 1. Instalacja fotowoltaiczna na fasadzie budynku
Fot. 2. Prawidłowo wykonane zdjęcie termowizyjne
Fot. 3. Przykład zdjęcia termowizyjnego z odbiciem chmur, które może być interpretowane jako wada
Pomiary przykładowych obiektów
Na fotografiach 1. i 2. pokazano fasadowy system fotowoltaiczny o takim ustawieniu, aby żaden z istniejących sąsiednich budynków nie zacieniał modułów fotowoltaicznych. Moduły są umieszczone na stelażach stalowych stanowiących pośrednią konstrukcję mocującą, a bezpośrednio mocowane są z wykorzystaniem profili aluminiowych, haków i docisków. Ciemniejsza powierzchnia blach z lewej strony jest dobrze widoczna na obrazie termicznym. Dobrze odbijająca powierzchnia panelu oraz dobór punktu obserwacji powoduje, że w pewnych warunkach można obserwować zakłócające obserwację promieniowanie podczerwone pochodzące od chmur, które odbijają się na powierzchni panelu (fot. 3.).
Fot. 4. Przykład wolnostojącej instalacji PV w świetle widzialnym
Fot. 5. Widok instalacji w podczerwieni
Fot. 6. Widoczne w świetle widzialnym odbicia na szklanych nierównościach spodniej strony panelu PV
Fot. 7. Odbicia widoczne w podczerwieni
Fotografie 5. i 6. przedstawiają wolnostojącą instalację fotowoltaiczną w podczerwieni i świetle widzialnym. Poza odbiciami, uwagę zwraca cieplejsza komórka o współrzędnych (240, 400) o regularnych kształtach. Najprawdopodobniej uwidoczniony został potencjalny defekt w panelu, który należy obserwować i sprawdzić, czy nie nastąpiło mechaniczne uszkodzenie w tym miejscu lub wada wewnętrzna. Na fotografii 7. widać konstrukcję stelażu, która nieznacznie wpływa na ilość energii światła docierającą do powierzchni poprzez odbicia, przysłonięcia i uchwyty mocujące.
Literatura
1. B. Więcek i inni, Termografia i spektrometria w podczerwieni Zastosowania przemysłowe, PWN, Warszawa 2017.
2. pod red. H. Madury, Pomiary termowizyjne w praktyce, Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2004.
3. K. Kuczyński, G. Dymny, Zastosowanie kamer termowizyjnych do oceny wykonania instalacji elektrycznej, „elektro.info” 5/2019.
4. http://termowizja.ibros.pl/index.php/informacje-aktualnosci/zastosowanie-kamer-termowizyjnych-flir/item/98-szybkie-i-niezawodne-narzedzie-do-badania-paneli-slonecznych
5. www.elektro.info.pl/artykul/produkty-technologie/169120,diagnostyka-paneli-fotowoltaicznych-z-uzyciem-kamer-termowizyjnych-flir
