Ein „Muss“ für die Optimierung von Qualität und Ertrag – Thermografie zur Qualitätskontrolle von PV-Anlagen

Letztlich ist es entscheidend, dass jedes Solarmodul zuverlässig sein muss und kontinuierlich über viele Jahre Strom produzieren kann. Die thermografische Untersuchung von PV-Systemen ermöglicht das schnelle Lokalisieren von Defekten auf der Solarzell- und Solarmodulebene sowie im Bereich der Komponenten. Die Thermografiekameras lassen sich gezielt für Leistungskontrollen und zur Sicherheitsinspektion einsetzen.
Bei der Thermografie handelt es sich um ein dokumentiertes und Modulfehlerbild-gebendes Messverfahren, das die Wärmestrahlung sichtbar macht. Diese Technik unterstützt den Prüfer bei der Ermittlung von Herstellungsfehlern, Transportschäden, Montagefehlern sowie von Schäden, die erst im laufenden Betrieb auftreten.
Einzelne defekte Zellen innerhalb der Solarmodule senken nicht nur den Systemwirkungsgrad, sie können auch zusätzlich Energie verbrauchen und benachbarte Solarzellen schädigen. In der Folge wird auch die Effizienz und wirtschaftliche Rentabilität einer PV-Anlage essenziell durch die Lebensdauer und Leistungsabgabe der Solarmodule bestimmt.

Zeit- und kostensparend
Aufgrund von Inspektionen mit Wartungsintervallen können umfangreiche Defekte an sämtlichen elektrischen Komponenten analysiert werden. Dazu gehören z.B. Bypassdioden, Fehler an Verbindungen, mechanische Schäden wie Delamination oder Zellbruch, Verschmutzungen des Solargenerators, der Steckverbindungen und der Wechselrichter, insbesondere an schwer zugänglichen Stellen, wie z.B. bei GIPV (Fassadeninstallationen, Dächer, etc.). Dieses einfach zu handhabende Messverfahren spart im Gegensatz zu den sonst umfangreichen und zeitintensiven Kennlinienmessungen jedes Solarmoduls viel Zeit und Geld. Die Inspektionen und Wartungen werden unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt und erfordern keine Anlagenabschaltung.
Mit Thermografiekameras lassen sich nicht nur in stationären PV-Anlagen, sondern auch in dynamischen Systemen z.B. die Fehlerortung in Nachführmotoren und deren elektrischen Anschlüssen lokalisieren.

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Anforderungen an Thermografiekameras
Zur allgemeinen Fehlerortung sollte eine Thermografiekamera eine hohe Auflösung und Bildqualität von ca. 20?000 Pixel vorweisen. Eine höhere Pixelzahl, z.B. für eine Bildqualität von bis zu 320 x 240 Pixel, wird erforderlich, wenn die Anwender zusätzliche Analysefunktionen durchführen möchten. Zudem bieten einige Produkthersteller auch Thermografiekameras zur kabellosen Übertragung von Bildern per W-LAN auf ein Smartphone oder Tablett-PC an.
Zu den neuen technologischen Trends gehören u.a.:

• Temperaturauflösung (NETD: <0,08 K),
• Darstellung kontrastarmer Details,
• einfache und zuverlässige Ein-Tasten-Bedienung.

Empfehlenswert ist der Einsatz von Thermografiekameras mit Schwenkdisplay, da sich so das Display stets von der Sonne abwenden lässt und das Untersuchungsdetail von jedem Winkel heraus betrachtet werden kann.
Die Empfindlichkeit und thermische Auflösung von Thermografiekameras wird durch die Detektorempfindlichkeit (die kleinste zu messende Temperaturdifferenz = NETD) begrenzt.
Das NETD für Thermografiekameras mit moderner ungekühlter Mikrobolometertechnologie liegt im Bereich von ca. 200 mK bis zum Spitzenwerte 20 mK.
Die portablen Thermografiekameras für Inspektionen und Wartung basieren in der Regel auf dem Prinzip der ungekühlten Mikrobolometerdetektion im Wellenbereich von 8 bis 14 µm. Glas ist in diesem Wellenlängenbereich nicht transparent. Für den Fall, das Solarmodule von vorne untersucht werden, erfasst die Thermografiekamera zwar die Wärmeverteilung direkt auf der Glasoberfläche, hier aber nur indirekt die Wärmeverteilung in den darunter liegenden Solarzellen. Aus diesem Grund können die Temperaturunterschiede, die für die Glasoberfläche des Solarmoduls gemessen und angezeigt werden, klein sein.
Um diese Unterschiede sichtbar machen zu können, benötigen die für derartige Inspektionen verwendeten Thermografiekameras eine thermische Empfindlichkeit von ?0,1°C. Mit der Thermografiekamera sollte zudem für eine präzise Anzeige der geringeren Temperaturunterschiede auf dem Wärmebild eine manuelle Justierung von „Level“ und „Span“ integriert sein.
In der Praxis werden viele Solarmodule auf stark reflektierende Aluminiumrahmen montiert, die auf dem Wärmebild als kalte Bereiche erscheinen, weil sie die Wärmestrahlung des Himmels reflektieren. Dieser Effekt hat zur Folge, dass die Thermografiekamera die Rahmentemperatur als deutlich unter 0°C anzeigen wird. Weil sich aber das Wärmebild intern automatisch an die höchsten und niedrigsten gemessenen Temperaturen anpasst und sie abgleicht, werden etliche geringe thermische Auffälligkeiten nicht sofort sichtbar gemacht. Aus diesem Grund müssen für einen hohen thermischen Kontrast des Wärmebilds „Level“ und „Span“ ständig manuell korrigiert werden. 
Abhilfe schafft hier der Einsatz einer DDE-Funktion (Digital-Detail-Enhancement). Mit der DDE wird der Bildkontrast automatisch in Szenen mit hohem Dynamikbereich optimiert. Bei der Verwendung einer Thermografiekamera mit DDE entfallen nicht nur die ständigen Handjustierungen, sondern sie sind ideal für schnelle und exakte Überprüfungen von Solarmodulen.

Thermografieeinsatz in der PV
Mit einer Thermografiekamera bzw. Wärmebildkamera lassen sich Störungen im Betrieb von PV-Anlagen ab einer Sonneneinstrahlung von 500 bis 600 W/m² durch auffällige Veränderungen der thermischen Eigenschaften schnell diagnostizieren. Dazu gehören:

• defekte Bypassdioden,
• Kontaktfehler und Kurzschlüsse in Solarzellen und Generator-Abschlusskästen,
• eingedrungene Feuchtigkeit, Verschmutzungen,
• Risse in Zellen oder im Modulglas,
• im Leerlauf befindliche und nicht angeschlossene Module,
• Leistungsverlust durch unterschiedliches Leistungsvermögen einzelner Module.

Für die Aufnahme korrekter und aussagekräftiger Wärmebilder sollten bestimmte Randbedingungen, Parameter und Messanweisungen eingehalten werden. Durch die präzise Temperaturmessung der Moduloberfläche können unterschiedlichste Defekte im Solargenerator sowie Mängel an Wechselrichter, Steckverbindungen, Leitungskontakten schnell und effizient aufgespürt werden.
Ein Fehler kann, je nachdem wie das Solarmodul aufgebaut ist und wie die Zellen geschaltet sind, zu einem vollständigen oder teilweisen Leistungsabfall des Solarmoduls führen. Die thermischen Auffälligkeiten zeigen in der Regel einen Ertragsverlust des Solarmoduls an. Die mit der Überhitzung im Zusammenhang stehenden Probleme können außerdem die Ursache dafür sein, dass benachbarte Solarzellen weniger effizient arbeiten oder auch ganz ausfallen. Letztlich kann sich dieses Problem über das gesamte Solarmodul ausbreiten.
In der Praxis fehlt es oft an einer effizienten Qualitätskontrolle der Module im Betrieb. Gerade die Prüfung bereits länger betriebener Module gestaltet sich mit traditionellen Prüfmethoden als zeit- und arbeitsintensiv.

Messbedingungen und Messumgebung
Zum Zweck aussagefähiger Messungen an Solarstromanlagen sollten zumindest einige Randbedingungen berücksichtigt werden. Eine Messung sollte stets bei erhöhten Einstrahlungswerten durchgeführt werden. Als Orientierungswert dient hier 500 W/m². Bei diesem Einstrahlungswert werden ausreichend hohe elektrische Ströme und infolgedessen aussagekräftige Temperaturunterschiede erreicht. Wenn die Solarmodule unter Last stehen, können auch Schlussfolgerungen unter Kurzschluss gezogen werden.
Zudem sollte beachtet werden, dass die Messung bei einem möglichst wolkenfreien Himmel erfolgt, damit die durch die Wolken verursachten Reflexionen keine Messfehler verursachen.

Als Voraussetzung für aussagefähige Messungen an Solaranlagen sollten nachfolgend aufgeführte Faktoren beachtet werden:

• Die Durchführung sollte an möglichst wolkenfreien, trockenen Tagen, mit intensiver Sonneneinstrahlung erfolgen, da die Wolken die Sonneneinstrahlung reduziert und zusätzlich störende Reflexionen hervorrufen werden. Unter der Voraussetzung, dass die verwendete Thermografiekamera empfindlich genug ist, lassen sich auch aussagekräftige Bilder bei bewölktem Himmel erstellen.
• Eine Einstrahlleistung von mindestens 500 W/m², idealer 700 W/m², gilt als Richtwert, da hierdurch ausreichend starke elektrische Ströme und somit ausgewogene und aussagekräftige Temperaturdifferenzen in den Modulen erreicht werden und daher auch die schadhaften Zellen im Wärmebild identifizierbar werden können.
• Der Betrachtungswinkel muss innerhalb der sicheren Grenzwerte liegen, d.h. zwischen 5° und 60°.
• Um Verschattung oder Reflexion des zu prüfenden Solarmoduls zu vermeiden, sollte der Prüfer für die Thermografiekamera einen Winkel möglichst senkrecht zum Modul wählen. Ein optimaler Bildausschnitt wird zudem erreicht, wenn neben dem aufgenommenen Modul auch die benachbarten Module auf dem Thermogramm ersichtlich sind, weil hierdurch ein direkter Vergleich ermöglicht wird.
• Fehlerhafte oder beschädigte Solarzellen werden durch ihre über oder unterdurchschnittliche Wärmeentwicklung erfasst. Eine Solarstromanlage muss daher mindestens unter Teillast laufen, um mithilfe einer Thermografiekamera analysiert werden zu können.

Effiziente Fehlersuche
Bei der Inbetriebnahme ist der Einsatz einer Thermografiekamera empfehlenswert, damit die PV-Module nach Produktionsfehlern untersucht werden können und Garantieansprüche geltend gemacht werden können.
In der Praxis hat sich die Anwendung der Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung von neu installierten und insbesondere im Bereich der bestehenden  PV-Anlagen bewährt.
Jede PV-Anlage verfügt über viele Gleich- und Wechselstromanschlüsse sowie elektrische Verteilungen. Die Thermografie, mit Wärmebild und Thermogramm, erweist sich bei der Überprüfung sämtlicher Anschlusspunkte, die im Lauf der Zeit zu Problemen im Betriebsablauf sowie zu unnötigen Unterbrechungen führen können, als sehr hilfreich. Ein lockerer oder korrodierter elektrischer Anschluss hat einen höheren Widerstand, wodurch es an dieser Stelle zu einer größeren Wärmeabführung kommt, die leicht erkennbar ist.
Zudem verursachen auch verschmutzte oder verschattete Zellen erhebliche Leistungsverluste. Eine verschmutzte Zelle kann nicht nur keinen Strom erzeugen, sie kann sich sogar umpolen und wird daher den Ertrag senken. D.h., die Solarmodule wandeln den erzeugten Strom in Wärme um und entziehen auch den benachbarten Zellen die elektrische Energie. Dieser Effekt wird durch die Installation einer Bypassdiode aufgehoben, weil hiermit der fehlerhafte String aus der Schaltung umgangen wird.
Der einfachste zu erkennende Fehler stellt sich bei defekten Solarzellen innerhalb des Moduls als  Hot-Spot-Effekt ein. Da die defekten Zellen nur wenig oder auch keinen Strom produzieren können, müssen sie die restliche Strahlungsenergie in Wärme umwandeln. Aufgrund der örtlichen Wärmeerhöhung können die defekten Solarzellen mithilfe der Thermografiemessung erkannt werden.
Bei höheren Temperaturen reduziert sich zudem der Solarzellen- und Systemwirkungsgrad. Durch die Wärmestrahlung einer defekten Zelle verringert sich auch der Wirkungsgrad der umgebenden Solarzellen. Für den Fall, dass innerhalb des defekte Solarmoduls eine funktionsfähige Bypassdiode installiert wurde, ist im Umfeld des defekten Strings mit keiner weiteren Leistungsreduzierung zu rechnen.
Häufig sind Modulausfälle oder Teilausfälle auf lockere oder fehlerhafte Verkabelung, z.B. durch Marderbisse, zurückzuführen. Mit einer Thermografiekamera kann anhand der gleichmäßig wärmeren Oberfläche festgestellt werden, welche Module oder Modulabschnitte sich im Leerlauf befinden, da die nicht angeschlossenen Module keinen Strom abführen und sich gleichmäßig erwärmen.
Insofern weisen auch durch Risse in der Solarzelle herbeigeführte Kurzschlüsse eine starke Hitzeentwicklung auf.
Zur Unterstützung der Ausführungsarbeiten sind derzeit auf dem Markt immer kostengünstigere Thermografiekameras erhältlich. Derzeit verändert sich tendenziell der Markt mit neuen Modellen nach Anschaffungskosten und  Funktionsumfang im Preissegment bis zu 10000 Euro.

Lohnende Anschaffung
Mit thermografischen Messgeräten können im gesamten PV-System großflächige und zerstörungsfreie Fehlerortungen durchgeführt und die Anlagenqualität und Betriebssicherheit garantiert werden. Durch den Einsatz der Thermografiemessung wird nicht nur ein Beitrag zur Qualitätskontrolle geleistet, sondern auch die Produktivitätssicherung in Form einer Ertragsleistung mit hoher Zuverlässigkeit und damit Rendite sichergestellt. Letztlich wirken sich die Thermografiemessungen auch im Sinne eines vorbeugenden Brandschutzes aus, wie z.B. der rechtzeitigen Erfassung der Quellen von Lichtbogen.
Für Solarteure, Energieberater, Gutachter etc. lohnt sich die Investition einer Thermografiekamera auf jeden Fall. Mit dem Tageslichtfoto (Digitalfoto) als Aussagekraft über die Solarstrom-Anlagenqualität sowie mit Unterstützung der dokumentierten Thermogramme wird der Kunde jedenfalls emotional angesprochen.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de

Bilder: Testo AG