Napelem modulok és napelem rendszerek hibáinak észlelése » A fotovoltaikus berendezések ellenőrzése
A folyamatosan emelkedő villamosenergia-árak, a megújuló energiaforrásokat támogató állami támogatási programok és a gyors energiaátállás egyre érdekesebbé teszik a magánszemélyek számára a hálózati betáplálású fotovoltaikus rendszereket. Nem csak az elektromos járművek tulajdonosainak, akik ingyenesen tankolhatnak a maguk által megtermelt napenergiával.
A szerelők, a cégek és az ipari vállalatok a meglévő tetőt és a szabad tereket is fel tudják arra használni, hogy a nap erejével villamos energiát termeljenek, és ezáltal csökkentsék az üzemeltetési költségeket.
Az intelligens elektronikával és közvetlen internetkapcsolattal rendelkező hálózati betápláló inverterek mindig pontos áttekintést adnak a rendszer teljesítményéről.
Ezért a felelősök azonnal felismerik, ha a hozam csökken, mert valami nincs rendben a rendszerrel. Szívesen elmagyarázzuk Önnek, hogyan működik a fotovoltaikus rendszer, és mit tehet hiba esetén a károk elhárítása érdekében.
Ahhoz, hogy meghibásodás esetén gyorsan meg lehessen találni a fotovoltaik hibáját, ismerni kell egy napelem modul vagy egy komplett napelemes rendszer felépítését és működését.
Napelem
1) Napfény | 2) Negatív elektróda | 3) N-adalékolt szilicium | 4) Határréteg | 5) P-adalékolt szilicium | 6) Pozitív elektróda | 7) Fogyasztó (izzó)
A napelem modul többé-kevésbé nagy számú fotovoltaikus cellából áll. A fotovoltaikus cella pedig két nagyon vékony nagyon tiszta szilícium rétegből áll, amelyekhez speciálisan idegen atomokat, például bórt és foszfort adtak.
A szaknyelv bórral történő pozitív dotálást és foszforral történő negatív dotálást említ.
A két félvezető réteg határfelületén egy úgynevezett pn átmenet (határréteg) jön létre.
Egy napelemben a napfény beesése (fotonok) elektronokat szabadít fel a határrétegben, amelyek elektromos feszültséget hoznak létre a csatlakozókapcsokon
Napelem
Egyetlen például 156 × 156 mm méretű napelem erős napfényben jelentős mennyiségű elektromos áramot képes szolgáltatni.
Az elektromos feszültség azonban viszonylag alacsony. Szilícium esetén egyetlen fotovoltaikus cella kapocsfeszültsége 0,5-0,7 V körül van. Ezért van az, hogy a modulon belül az egyes napelemek egymás mögé (sorosan) vannak csatlakoztatva. Ez hasonlóan működik, mint a zseblámpa elemei, amelyek szintén sorba vannak kötve a feszültség növelése érdekében.
A képen látható napelem modulok 36 sorba kapcsolt cellával, úgynevezett részláncokat alkotnak. Ez azt jelenti, hogy ezek a modulok 24,9 V üresjárati feszültséget (nyitott kapcsok) érnek el.
A forrasztás után a cellákat két fólia közé laminálták, így optimálisan védve vannak a nedvességtől. Egy alumínium keret üvegtáblával és egy stabil hátsó fólia csatlakozódobozzal teszi teljessé a napelem modul felépítését.
Kedvelt napelem modulok
Napelem mező
1) Napelem | 2) Napelem modul | 3) Napelem string
A napelem mező több egymáshoz kapcsolódó modulból áll (2). Az egyes modulok sorba vannak kötve, úgynevezett stringekké (3).
A sorba kapcsolt modulok száma a rendelkezésre álló helytől és így a modulok fizikailag lehetséges számától függ.
Fontos viszont, hogy az összes sorba kapcsolt modul összfeszültsége (nyitott áramköri feszültség) ne haladja meg az inverter bemeneti feszültségét.
A kívánt teljesítmény elérése érdekében több stringet párhuzamosan kapcsolunk egy napelem mezőben. A stringenkénti modulok számának azonosnak kell lennie.
Inverter és energiatároló
Mivel a napelem modulok (1) a kialakításuk miatt egyenfeszültséget szolgáltatnak, azt egy inverterrel (2) váltakozó feszültséggé kell átalakítani. Ez az egyetlen módja annak, hogy egy kétirányú villanyórán (3) keresztül táplálják be a nyilvános elektromos hálózatba vagy házon belüli használatra (5).
Az inverterek gyakran rendelkeznek csatlakozási lehetőséggel energiatároló rendszerhez (4) vagy akkumulátoros energiatároló rendszerhez (BESS). Az energiatároló eszköz egy nagyméretű akkumulátor, amely egyenárammal töltődik, majd ismét egyenáramot ad le.
Ha a napelemes rendszer túl kevés elektromos energiát szolgáltat rossz időjárásos napokon, vagy sötétben semennyit, akkor az akkumulátor energiaforrásként szolgál a fogyasztók számára.
Egy fotovoltaikus rendszer építése vagy megvásárlása egy bizonyos befektetést jelent. Függetlenül attól, hogy a rendszert vásárolják vagy lízingelik. Ezért mondanunk sem kell, hogy a rendszert üzemeltetők mindig figyelemmel kísérik rendszerük működését.
A legegyszerűbb és legolcsóbb esetben ez a villanyórák leolvasásával történik. A mérőállások rendszeres időközönként feljegyezhetők, majd összehasonlíthatók.
Alternatív megoldásként a beépített funkcionális kijelzőkkel rendelkező inverterek tökéletesek a fotovoltaikus rendszer aktuális teljesítményének gyors áttekintésére. Különösen, ha például idővonallal ellátott oszlopdiagramok jelennek meg.
A legügyfélbarátabb változatban adatgyűjtőket használnak a rendszer különböző jellemző értékeinek tárolására. Az adatok ezután kényelmesen, bármikor és bárhol elérhetők okostelefonjával.
A megfigyelés típusától függetlenül nagyon gyorsan gyűjthet releváns tapasztalati értékeket a rendszer teljesítményéről bizonyos időjárási helyzetekben.
Ennek eredményeként nagyon gyorsan észrevehető, ha a fotovoltaikus rendszer teljesítménye hirtelen jelentősen lecsökken, vagy ha a szokásos magas teljesítmény már nem érhető el.
Gyakorlati tippünk: A teljesítmény értékelésénél vegye figyelembe az állapotromlást
A fotovoltaikus modulok egész évben ki vannak téve az időjárásnak és a környezeti hatásoknak, védelem nélkül . A moduloknak az eső, hó és jégeső okozta mechanikai igénybevételen túl magas hőmérsékletet, fagyot és jelentős mennyiségű UV-sugárzást is ki kell bírniuk. Összességében ez azt jelenti, hogy a napelem modulok természetes öregedésnek vagy teljesítménycsökkenésnek (állapotromlásnak) vannak kitéve. A kristályos napelem modulok lassan, de folyamatosan 20-25 év alatt teljesítményük 10-15%-át veszítik el.
Ahhoz, hogy egy esetleges meghibásodás esetén a későbbiekben pontosan megtalálhassuk és kijavíthassuk a hibát, szükség van a teljes rendszerdokumentációra. Ezeket a dokumentumokat a kivitelezés során, de legkésőbb az üzembe helyezéskor a rendszertervezőtől vagy a kivitelező cégtől kell bekérni. Itt nagyon hasznosak a string- és kapcsolási rajzok, valamint a mérési protokollok, mivel hiba esetén az aktuális értékek összehasonlíthatók az üzembe helyezés adataival.
Az inverter meghibásodása
Minden hálózati tápellátással rendelkező fotovoltaikus rendszer központi eleme az inverter.
Ez a meglehetősen érzékeny eszköz nagyon érzékenyen reagál az erős áram- és feszültségingadozásokra. De a külső hatások negatív hatással is lehetnek az inverterre.
Ha hibaüzenetek jelennek meg LED-eken vagy a kijelzőn, fontos, hogy kéznél legyen a kezelési utasítás, hogy a hibakód helyesen hozzárendelhető legyen.
A dokumentumok általában leírják az összes további lépést is, amelyeket a készüléket használó személyeknek meg kell tenniük vagy el kell végezniük, mielőtt szakembert hívnának.
Árnyékolás és hotspotok
A bal oldali ábrán egy modulban lévő összes napelem részt vesz az áramtermelésben (lásd a piros vonalat). A jobb oldali ábrán az árnyékolt cellákkal (szürkével jelölve) ellátott alstringeket bypass diódák hidalják át.
Árnyékolás esetén az érintett cellák egyrészt nem generálnak áramot, másrészt zavaró ellenállásként működnek. Ez jelentősen csökkenti a modul aktív celláinak teljesítményét.
Mivel az árnyékolt cellák a nagy moduláram miatt nagyon felforrósodnak, létrejön egy hotspot, amely előbb-utóbb tönkreteszi a cellát.
Ennek elkerülésére a gyártók úgynevezett bypass diódákat is beépítenek a napelem modulok csatlakozódobozaiba.
Ebben az esetben a diódák jelentősen kisebb ellenállást mutatnak az árammal szemben, mint az árnyékolt cellák, és rövidre zárják a stringet az érintett cellákkal. Ezzel hatékonyan elkerülhető a hotspotok kialakulása.
Kúszó teljesítményvesztés
A teljesítmény fokozatos elvesztése összefügghet az állapotromlással, de nem feltétlenül ez az oka. Gyakran előfordul, hogy idővel a nagyobb fák vagy bokrok a napelem modulok részleges árnyékolásához vezetnek.
De ok lehet a nagyméretű és makacs szennyeződés is, amelyet az esővíz már nem old fel és nem távolít el. Ebben az esetben a napelem modulok szakszerű tisztítása ismét jelentősen növeli a hozamot.
A stringek eltérő vagy nem megfelelő teljesítménye
Ha egy fotovoltaikus rendszer összes stringje azonos módon van megépítve, és a modulok azonos módon vannak elrendezve, akkor releváns összehasonlító méréseket végezhet.
Gyorsan kiderül, hogy az áram egy stringben alacsonyabb-e, mint a többi stringben.
Alternatív megoldásként az aktuálisan mért értékek összehasonlíthatók az üzembe helyezés során létrehozott mérési jegyzőkönyvekben szereplő információkkal is.
Az úgynevezett lakatfogók vagy bilincses ampermérők alkalmasak a gyors és egyszerű árammérésre, mivel a méréshez nem kell szétválasztani a tápvezetékeket.
Ha egy fotovoltaikus rendszer teljesítménye mérhetően romlik, meg kell határozni a hiba okát és meg kell szüntetni. Erre különböző módszerek vannak.
Optikai ellenőrzés
Ha egy stringet hibásnak találtak, a stringhez tartozó napelem modulokat először szemrevételezéssel kell ellenőrizni. Nagyon jól látható, ha például a jégeső tönkretette az üveglapot, vagy nem finom repedések keletkeztek az üvegen (ún. csiganyomok). A sérülés korától függően jól láthatóak a behatolt nedvesség okozta oxidáció nyomai.
De a hibás csatlakozódobozok vagy az állatok harapása által sérült kábelek is meglehetősen könnyen azonosíthatók szemrevételezéssel. Az egyes helyekre korlátozódott színváltozások vagy a hátsó fólia sérülése szintén jelezheti a túlmelegedett és sérült cellákat.
Méréstechnikai ellenőrzés
Ha az érintett modulok nem láthatóak megfelelően ill. nem mutatnak látható sérüléseket, méréstechnikai vizsgálatot kell végezni. Ennél a napelem modul tesztnél érdemes több összehasonlító mérést elvégezni azonos modulokon, hogy egyértelműen azonosítani lehessen a hibás modulokat. A legfontosabb paraméterek a nyitott áramköri feszültség és a zárlati áram, miközben a modulok a napfelé vannak irányítva.
Azon modulok esetében, amelyek már nem érik el maximális teljesítményüket, bizonyos körülmények között a bypass diódák hibaforrást jelenthetnek.
Ha a diódák túlterheltek, és zárlatosak, akkor a diódához tartozó alstringek a modulokban nem járulhatnak hozzá az áramtermeléshez. Ha a diódáknál szakadás van, a modul hibás vagy árnyékolt cellái a továbbiakban nem kerülnek áthidalásra, ami szintén csökkenti a kimeneti teljesítményt.
A hibás diódák méréstechnikailag könnyen ellenőrizhetők multiméterrel. A hibás mérések elkerülése érdekében a diódákat el kell távolítani, vagy legalább az egyik oldalon forrasztani kell.
Gyakorlati tippünk: Legyen óvatos, amikor napelem rendszereken végez méréseket
A már említett lakatfogóval végzett méréssel ellentétben a további mérések széleskörű tapasztalatot igényelnek az elektronika és a napelem technológia területein. Ugyanígy a kapcsolódó veszélyek alapos ismeretével is rendelkezni kell, és figyelembe kell venni a szükséges biztonsági intézkedéseket. Nagyobb rendszerekben, ahol egy string kialakításában sok modul van sorbakötve, gyenge napfényben is több 100 V-os feszültség léphet fel.
Termográfia hőkamerával
Az optikai és méréstechnikai ellenőrzés természetesen csak akkor végezhető nagyobb erőfeszítés nélkül, ha a modulok könnyen hozzáférhetők, például egy mező rendszerben. Ha a modulok egy nagyobb ház tetőjén lettek rögzítve, akkor az ellenőrzés már nehezebb. Ebben az esetben, vagy akár kiterjedtebb napelem mezők esetén is, ahol nagyon sok napelem modul található, a helikopterrel vagy drónnal végzett termográfia bizonyulhat ideálisnak.
Az alábbi termográfiai képek arra mutatnak példát, hogy a napelemes rendszerek különböző hibáit a jól látható fényerő-különbségeknek köszönhetően a kevésbé tapasztalt emberek is könnyen felismerhetik.
Modul hotspotokkal
Modul hibás alstringekkel
Teljesen leállt modul
Teljesen leállt string
Ahhoz, hogy a termográfiával releváns képeket kapjunk, a globális sugárzásnak legalább 600 W/négyzetméternek vagy ideális esetben 800–1000 W/négyzetméternek kell lennie. A modulok betekintési szögének ill. a hőkamera mérési szögének 50° és 80° között kell lennie.
De a tapasztalat azt mutatja, hogy azok a szakemberek, akik hőkamerával ilyen drónrepüléseket hajtanak végre, nagyon pontosan tudják, mikor és hogyan kell a méréseket elvégezni. Ezután a mérési kiértékelések vagy a képanyag alapján további javítási lépések indíthatók.
Az, hogy egy hibás napelem modul javítható-e vagy sem, több tényezőtől függ:
A sérülés típusa
Egyes sűrűn előforduló műszaki hibák - például sérült csatlakozókábelek, égett csatlakozódugók, hibás csatlakozódobozok vagy akár hibás bypass diódák - egyszerűen, gyorsan és különösebb erőfeszítés nélkül kijavíthatók.
Gyakorlati tippünk: A bypass diódák felújítása
Fontos: Ha a hibás diódák cserére szorulnak, az újaknak mindenképpen a szükséges áram- és feszültségértékekkel rendelkező Schottky-diódáknak kell lenniük. Ezeken a diódákon ugyanis lényegesen kisebb a feszültségesés az áramlás irányában, mint a hagyományos szilíciumdiódákon.
Nehezebb az eset, ha a modul tetején lévő üveglap megsérül. Felmerül a kérdés, hogy csak az üveg sérült-e, vagy az alatta lévő napelemek is.
Ebben az esetben először egyértelműen meg kell határozni a sérült napelem modul aktuális teljesítményét egy mérés segítségével.
Ha a sérülés régebbi, akkor az idővel behatoló nedvesség és szennyeződés a napelemek vagy azok üveg alatti csatlakozásai oxidációjához vezet (lásd még az optikai ellenőrzés fejezet képét).
Kor, méret és állapot
Ha a teljesítmény csökkenésének oka nem azonosítható egyértelműen, ellenőrizni kell, hogy mennyi idős a modul. Egyes esetekben a PV gyártók nagyon hosszú teljesítménygaranciát kínálnak napelem moduljaikra. Ha kétségei vannak, az eladóval folytatott konzultáció egyértelművé teheti a kérdést.
Időnként előfordul, hogy az új modulok üveglapja megsérül szállítás közben. Az érintett panelek viszont továbbra is az adatlapokon megadott maximális feszültség- és áramértékeket állítják elő. Ebben az esetben lehetőség van a modul törött üveglapjának megfelelő öntőgyantával vagy lakkal történő lezárására és ezzel a modul megmentésére.
Azoknál a régebbi és kisebb moduloknál, amelyek már nem biztosítanak teljes teljesítményt, a lezárásukkal járó erőfeszítés már nem éri meg. Ebben az esetben a hibás modul cseréje a jó megoldás. Sajnos gyakran előfordul, hogy a szükséges méretű és teljesítményű modul már nem kapható a kereskedelemben. Ebben az esetben olyan cégek segíthetnek, amelyek hibás napelem modulok javítására és replikálására szakosodtak. A napelemes rendszerek folyamatosan növekvő száma miatt mind ezek a szakcégek, mind a napelemes rendszerek telepítésével és szervizelésével foglalkozó szakértők (szolármérnökök) könnyen megtalálhatók az interneten.
A napelemes rendszereken rendszeresen el kell végezni a részletes szemrevételezést vagy a precíz áramméréseket lakatfogóval. Egy kis műszaki szakértelemmel ezek a feladatok könnyen elvégezhetők.
Ha azonban a napelemes rendszeren nagyobb sérülést kell javítani, képzett szakembereknek kell elvégezniük a munkát. Főleg, hogy ha a munkát gyakran szédítő magasságban kell elvégezni, és kiterjedt szaktudást igényel.
Még akkor is, ha a videóportálokon különböző videók találhatók a hibás bypass diódák cseréjéről vagy a hibás fotovoltaikus modulok tömítéséről, nem javasoljuk, hogy szaktudás hiányában saját maga végezze el a munkát. Érdemes előre kiválasztani a kiváló minőségű napelem modulokat, és megkötni a megfelelő fotovoltaikus biztosítást, amely jégeső esetén fedezi pl. a javítások- és a használat elvesztésének minden költségét.