Photovoltaikanlagen sollen mindestens 20 Jahre zuverlässig ihre Erträge bringen. In 20 Jahren kann viel passieren: Kinder werden geboren, wachsen auf und verlassen das Elternhaus. Stürme gehen übers Land, 20 Winter nagen an der Dachsubstanz. Deshalb müssen Solaranlagen auch nach der Inbetriebnahme regelmäßig überprüft werden. Für qualifizierte Fachbetriebe bieten die regelmäßige Wartung und Reparatur ein neues geschäftliches Standbein. Auch ist die Qualität der Anlage mindestens einmal im Jahr zu prüfen, am besten vor der Hauptsaison, also im Frühsommer. Denn die Hersteller der Module geben sehr lange Leistungsgarantien. Schleichen sich über die Jahre Verluste ein, die auf die Solarmodule zurückgehen, ist Regress möglich. Ebenso bei Verkabelungsfehlern, beispielsweise bei der Anlagenmontage.
Zur Inspektion der Solarmodule bieten sich Wärmebildkameras an. Denn elektrische Verluste in den Generatoren fallen durch Wärmeabstrahlung auf. Mikrorisse oder Hotspots in den Zellen entgehen den thermografischen Argusaugen nicht. „Hotspots sind hochohmige Defekte in den Lötverbindungen der Zellen“, erläutert der Physiker Daniel Faltermeier, Leiter des Gutachterteams für Photovoltaik bei Meteocontrol in Augsburg. „Da mit steigender Sonneneinstrahlung auch der elektrische Strom ansteigt, sind die Temperaturen der thermischen Auffälligkeiten stark an die Einstrahlungsintensität gekoppelt. Je mehr die Sonne scheint, desto besser kann man Fehler und Defekte detektieren.“ Also ist Eile geboten, die raren Sonnenstunden gut zu nutzen. Denn mancher Zelldefekt kann gravierende Folgen haben. „Bei geringer Einstrahlungsintensität beträgt der Temperaturunterschied zum Beispiel von Hotspots zum Modul oftmals nur wenige Kelvin“, nennt Faltermeier ein Beispiel. „Bei hohen Einstrahlungen um 1000 W/m2 kann dieser Unterschied auf mehr als 150 K ansteigen. Da bei solchen Temperaturen die Brandgefahr deutlich zunimmt und es zu Brandlöchern im Modul kommen kann, muss man diese Fehler möglichst frühzeitig und eindeutig identifizieren.“
Breites Angebot an Wärmebildkameras
Dazu bieten Hersteller wie Dias Infrared, Flir Systems, Fluke, ICOdata, Infratec, NEC, PCE, Testboy, Testo und Trotec thermografische Kameras an (siehe SBZ 7/2012: Marktübersicht). Erbarmungslos machen sie thermische Auffälligkeiten am Solargenerator sichtbar. Nach Faltermeiers Erfahrung sollten Module mit heißen Zellen, heißen Anschlussdioden oder Hotspots ausgetauscht werden, wenn das Wärmebild einen Temperaturgradienten von mehr als 10 K zeigt bei mindestens 600 W/m2 Einstrahlung, auch wenn die Module noch keinen signifikanten Ertragsverlust zeigen. Aber der Schaden kann sich ausweiten. Thermische Auffälligkeiten während einer thermografischen Untersuchung gelten zumeist als ausreichende Begründung, den Modultausch einzufordern. So ist beispielsweise die Häufung von Hotspots überwiegend auf Fehler im Fertigungsprozess zurückzuführen. Viele thermografisch erkennbare Fehler entstehen durch unsachgemäßen Transport der Module oder die falsche Installation. Treten die Installateure während der Montage auf die Module, entstehen mechanische Belastungen. Sie können zu Mikrorissen führen. Werden solche Mängel rechtzeitig erkannt, kann man sie gegenüber dem Generalunternehmer geltend machen. Sogar Glasbruch oder elektrisch nicht verbundene Module oder fehlerhafte Zellstrings werden erkannt, ebenso Erwärmungen in den Anschlussdosen durch fehlerhafte Dioden oder nicht ordnungsgemäß verbundene DC-Kabel. Lockere Anschlussstellen erhöhen den Übergangswiderstand, der Kontakt erwärmt sich.
Rationelles Arbeiten ermöglicht viele Inspektionen pro Tag
Mit Handgeräten durch die Modulreihen zu laufen, lohnt sich nur bei kleinen und leicht zugänglichen Anlagen. Die Kameras von Flir Systems und NEC lassen sich auch auf fliegende Plattformen klemmen. Lautlos, schnell, am helllichten Tag: So schlägt die Flugdrohne zu. Doch nicht ein Einsatz in Afghanistan ist gemeint, sondern sie schwebt über endlose Reihen mit Solarmodulen. Getrieben von Batterien hält sich der kleine Oktokopter lange genug in der Luft, um die Solarmodule mithilfe von Wärmekameras zu inspizieren. „Im Spätherbst 2011 haben wir unsere ersten Testflüge gemacht“, erzählt Oliver Knittel, einer der beiden Erfinder dieser Service-Drohne, die ausschließlich für zivile Zwecke gedacht ist. Gemeinsam mit seinem Hamburger Geschäftspartner Volker Rosenblatt hat der Berliner Ingenieur ein Unternehmen gegründet, das solche Drohnen baut und vertreibt. Vor allem die Filmbranche und Werbefachleute sind von der Technik begeistert. „Zunehmend erhalten wir Anfragen von Kunden aus der Solarwirtschaft“, meint Knittel. „Denn mithilfe dieses Fluggeräts kann man bei der Inbetriebnahme oder bei der Wartung viel Geld sparen.“ Auch lassen sich damit viele benachbarte Kleinanlagen beispielsweise auf den Dächern in einer Gemeinde vom Boden aus analysieren.
Je größer eine Solaranlage ist, desto teurer ist die Abnahme der Module zur Inbetriebnahme oder die spätere Inspektion. Schnell summieren sich die Wege für die Gutachter auf etliche Kilometer. Zwar lassen sich Fehler in den Zellen und Modulen mit Thermokameras gut erfassen, doch dazu braucht man gutes Wetter, eine Leiter oder eine Hebebühne, Absicherung auf dem Dach sowie die Ausdauer eines Marathonläufers. „Unsere Thermodrohne kann sich mit einer Batterieladung etwa 20 Minuten in der Luft halten“, rechnet Knittel vor. „Ihr Operationsradius beträgt 2 km vom Fachmann am Steuerpult aus.“
Die Idee stammt aus dem Modellbau
Knittel und Rosenblatt kamen als Modellflieger zu diesem Geschäft. Die Fluggeräte werden durch acht Rotoren angetrieben, daher der Begriff Oktokopter. Die Kamera hängt auf einem Montagebügel unterhalb der Drohne. Ihre Neigung ist verstellbar, damit kann man die optische Achse genau senkrecht zum Modul festlegen. Das Gerät fliegt bis Windstärke vier, hält also bis 40 km/h störende Böen aus, ohne abzudriften. Der Vorteil der kleinen Drohnen: Stellt die Thermokamera eine heiße Stelle fest, kann das Fluggerät bis auf wenige Meter an das Modul heranfliegen, um genauer hinzuschauen. Der entscheidende Vorteil liegt jedoch darin, dass man auch an Tagen mit wechselhaftem Wetter viele Module ablichten kann. Denn für aussagekräftige Aufnahmen braucht es mindestens 600 W/m2 Sonnenleistung. Andernfalls sind die Temperaturgradienten im Modul zu gering, um auf dem Thermobild sichtbar zu werden. Am Boden arbeitende Inspektoren müssen bei jeder Wolke eine Pause einlegen. Auf diese Weise zieht sich die Abnahme eines Megawatt-Solarparks unter Umständen etliche Wochen hin. Und kostet entsprechend viel Geld.
Komplett mit einer Thermokamera NEC F-30 und dem Zubehör kostet die Thermodrohne rund 20000 Euro. Die kleine Kamera arbeitet radiometrisch, also mit Bilddaten und Thermodaten. Der Flug wird über eine Fernbedienung von Hand gesteuert. Rote Stellen auf dem Monitor weisen auf Zelldefekte oder andere Probleme im Modul hin. Über das Global Positioning System (GPS) werden die Modulbilder eindeutig zugeordnet. Denn den Defekt später unter Tausenden Modulen wiederzufinden, gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Der Operator kann sich einen Follow-me-Peilsender auf den Helm montieren und die Reihen zügig abschreiten, dann fliegt die Drohne automatisch vorneweg oder hinterher. Sind die Batterien erschöpft, kann man den Akkusatz innerhalb von zwei Minuten wechseln. Die Drohne selbst wiegt nur 4,5 kg, die Kiste mit allem Zubehör 30 kg. „Die Investition rechnet sich schon bei einem oder zwei größeren Solarparks“, meint Oliver Knittel. „Fehlerhafte Module sind keine Seltenheit. Wenn man sie rechtzeitig beim Hersteller moniert und austauschen lässt, vermeidet der Betreiber unnötige Ertragsverluste. Allein dadurch rechnet sich die Anschaffung.“
In zwei Tagen zum Drohnenpiloten
Um zu lernen, wie man eine Drohne steuert, braucht man einen zweitägigen Workshop. Mittlerweile sind die fliegenden Geräte in vielen Branchen bekannt: Filmemacher nutzen die Drohnen für rasante Luftaufnahmen. Energieversorger prüfen damit die Korrosion und den Zustand der Isolatoren an Hochspannungsmasten. In der Windkraft kann die Drohne bis 300 m hochaufsteigen, um beispielsweise die Nabe von oben zu inspizieren. Auch der Katastrophenschutz, die Feuerwehr und die Polizei setzen das kleine, fliegende Auge ein. Denn anders als beispielsweise ein Hubschrauber kann die Drohne sehr nah an ein Gebäude oder eine Anlage fliegen, ohne zu viel Wind zu verursachen. Allein in diesem Jahr bietet Knittels Unternehmen sieben neue Modelle an. Die Lieferzeit aus dem Werk in Buchholz bei Hamburg beträgt zwischen zwei und drei Wochen.
INFO
Eine Kamera für Tageslicht- und Wärmebilder
Flir Systems hat im Frühjahr 2012 ein überarbeitetes Einstiegsmodell der Thermografiekameras auf den Markt gebracht: die Flir E30. Ergänzend ist sie mit einer Tageslichtkamera ausgestattet. Das Tageslichtbild wird oft als Referenz zum Wärmebild verwendet. Es zeigt den Fachkräften genau, wo sich die Problemstelle befindet. Durch einen einzigen Tastendruck speichert die Kamera Wärmebild und Tageslichtbild gleichzeitig ab. Eine an der Vorderseite der Kamera installierte LED-Leuchte sorgt dafür, dass auch bei schlechteren Lichtverhältnissen hochwertige Realbilder entstehen. Wie alle Modelle der E-Serie besitzt auch die Flir E30 einen Laserpointer, der den Anwender bei der Zuordnung der heißen Stelle auf dem Infrarotbild zum Problembereich auf dem physikalischen Ziel vor Ort unterstützt.
Minimale Temperaturunterschiede von 1/10 K sind auf dem Wärmebild zu erkennen. Die Kamera misst Temperaturen von –20 bis 350 °C. Ihr Gehäuse erfüllt die Schutzart IP 54. Der 3,5 Zoll große LCD-Touchscreen ermöglicht den Zugriff auf alle Kamerafunktionen. Jede Wärmebildkamera der E-Serie wird mit der Software Flir Tools ausgeliefert. Die wichtigsten Leistungsmerkmale sind:
Importieren von Bildern von der Wärmebildkamera auf einen PC
Anlegen, Bewegen und Skalieren der Größe von Messwerkzeugen für jedes Wärmebild
Erstellen von PDF-Dateien mit Darstellungen ausgewählter Bilder
Hinzufügen von Kopf- und Fußzeilen sowie Logos in Berichten
Anwenden von Filtern bei der Suche nach Bildern
https://www.flir.de/
2 Die Steuerung der Drohnen erfolgt mit einer Fernbedienung, in die ein Monitor zur direkten Analyse der PV-Anlage integriert ist.
3 Luftaufnahmen von Solaranlagen mit Normalbild-Kameras oder Video sind bis zu einer Höhe von 300 m möglich.
