Tervezés

Fotovoltaikus napelem modulok és rendszerek légi termográfiás állapot felmérése/kontrollja 

(Napelemek és napelemes rendszerek helyszíni vizsgálata valós körülmények között légi termográfiai eljárással) 

Előszó

A napelemes erőművek rendre alacsonyabb elektromos energia hozamokat, árbevételt és megtérülést produkálnak, mint a számított. Mindenki keresi az okát,amit nem csak az időjárás és a napsütés intenzitásának változásaiban látják. A figyelem mindinkább magukra a napelem modulokra terelődik, azok vizsgálatára. A hibás vagy sérült napelem modulok kiszűrésével lényegesen javulnak a rendszerek termelési mutatói, ami éves szinten jelentős árbevétel növekedést jelenthet.Ezért térül meg a napelem rendszerek üzemeltetőinek, illetve tulajdonosainak a különböző vizsgálatok díjának finanszírozása. Továbbá a hibás vagy sérült napelem modulok még a garanciális idejük alatt kicserélhetők.

Bevezető

A napelemek alkalmazása mind szélesebb körben terjed úgy a lakosság, mint az ipar területén, a jövőben részarányuk pedig az alternatív energiatermelés ágazatában tovább fog emelkedni. Az alkalmazásuk, és piachódításuk eddigi gyors növekedése mindezt alátámasztja és előrevetíti. Ez azt jelenti, hogy egyre több helyen és az elektromos energiatermelés szempontjából diverzifikáltan fognak megjelenni a legkülönbözőbb helyszíneken, mint épületek oldalfalain és magas tetőin, valamint a földfelszínen. Utóbbi esetben a telepített napelemek száma jelentős (több ezer, tízezer, százezer darab) és jellemzően nagy területen vannak rendezetten elhelyezve (a projekt szempontjából ez lényeges szempont). Minden, az energiatermelésben résztvevő létesítmény esetében elvárás a folyamatos felügyelet, és a megelőző műszaki állapotfelmérés, valamint a karbantartás.  Így a napelemes erőművek esetében főleg méréstechnikai szolgáltatások szempontjából ez egy állandóan bővülő piaci szegmenst jelent az elkövetkező 25-30 évre (a napelemek működési élettartamát a gyártók rendre átlag 25 évben határozzák meg).     

A napelemek gyártói a termékeikre gyártói garanciákat adnak, ám leggyakoribb az 5 vagy 10 éves, ritkábban a 12 éves garanciális időtartam. Teszik mindezt a gyártás nagyfokú automatizálása, megbízhatósága és a bevezetett gyártósori minőségellenőrzési eljárásoknak köszönhetően. A gyártott napelemeket minden esetben minőség tanúsítással hozzák forgalomba. Összességében elmondható, hogy a piacra kerülő napelem modulok mindegyike átesik valamilyen minőség ellenőrzésen, mint termék. A gyártás során, bármennyire is legyen az automatizált, minden tekintetben két abszolút egyforma napelem modul soha nem készül, mivel lehetetlen két abszolút egyforma napelem cellát legyártani (a projekt szempontjából ez fontos tény). Ebből következik, hogy a napelem modulok rendre eltérő műszaki paraméterekkel rendelkeznek. A gyártók szortírozzák és osztályozzák az elkészült napelem modulokat az elvárt névleges teljesítményüktől való eltéréseik mértéke alapján. Azok a napelem modulok, melyeknél az eltérés 0,1% -on belüli, kerülnek a naperőművekbe, míg a többi lakossági felhasználásra. A gyártási előírások alapján, a jelentősebb eltéréseket mutató napelem modulokat más és más osztályba sorolják. Az alacsonyabb névleges teljesítményűk feltüntetésével, mint alacsonyabb hatásfokú elemeket hozzák forgalomba. Ezért van az, hogy a gyártók kínálatában szerepelnek úgy a 250Wp névleges teljesítményű modulok, mint a 245Wp vagy alacsonyabb (akár 200Wp is). Tervezői szabály, hogy napelemes rendszereket azonos névleges teljesítményű napelem modulokból szabad csak létrehozni (sztringeket kialakítani). Az eltérő teljesítmény eltérő elektromos tulajdonságokra utal, azaz a „gyengébb” modulok képesek felemészteni a többi napelem modul által termelt elektromos energia egy részét, miáltal jobban felmelegszenek (a projekt szempontjából  lényeges), ami kimutatható termográfiai eljárással.  Oka a napelem modulokban alkalmazott cellákban, és az elektromos érintkezéseikben keresendő.

Az eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkező napelem cellákból készülő napelem modulokban érvényesül a „leggyengébb láncszem” elve. A napelem modul elektromos energia termelését meghatározza, csökkenti a leggyengébb napelem cella. Indokolt tehát a végtermékek minőség vizsgálata minden gyártó számára, amit el is végeznek azonos laboratóriumi körülmények között (STC).  A főbb vizsgálati eljárások közé tartozik a napelem cellák anyagának (félvezető anyagokról van szó, leggyakrabban kristályos, polikristályos, amorf, mikromorf, stb. állapotban) vizsgálata termográfiai eljárással, valamint a kész napelem modulok elektromos jellemzőinek vizsgálata és mérése (rövid idejű, impulzus szerű mesterséges „Nap” megvilágítással, laboratóriumi körülmények között) felvételek készítése az elektrolumineszcenciás vizsgálati eljárás során. Fotók készülnek a modulokról, melyek rögzítik a modul celláinak anyagfizikai állapotát a vizsgálat időpontjában, általában a gyártás végfokán. Az eljárásokra jellemző a rövid vizsgálati idő és a mesterséges körülmények, melyek távol állnak a valós felhasználás körülményeitől és időtartamától. Indokolt tehát a valós körülmények közötti vizsgálatok elvégzése. 

A fizikából ismert tény, hogy minden folyamatot, ami az elektromos energia előállításával és felhasználásával kapcsolatos, bizonyos hőtermelés kísér és jellemez, mint fizikai jelenség (oka a vezetők eltérő elektromos ellenállása). A hőtermelés hatására az érintett vezetők és testek hőmérséklete változik, amit hőkisugárzás kísér. Ezt a hőkisugárzást megfelelő termográfiai eszközökkel és eljárásokkal lehet vizsgálni, dokumentálni. Az erre a célra leginkább megfelelő eszközök műszaki „tudásuknak” köszönhetően az ú.n. kutató hőkamerák, melyek a legmegfelelőbbek a különböző helyszíneken való vizsgálatok elvégzéséhez. A hőkamerák az emberi szem számára láthatatlan hősugárzást gyűjtik be, képezik le, és alakítják át az ember számára látható és értelmezhető felvételekké (információ halmazzá, adatokká). A begyűjtött információkat a kamerákba épített elektronikával digitalizálják, így elektronikus úton történő tovább feldolgozásuk megoldott, lehetségessé válik az adatok tárolása, kezelése, felhasználása és értékelése. A jelenleg piacon lévő hőkamera gyártók kínálatában már szerepelnek olyan nagy tudású hordozható/kézi hőkamerák, melyekkel nemcsak az egyes napelem modulok, hanem a nagy területen elhelyezkedő napelemes rendszerek is vizsgálhatóak megfelelő távolságból különböző helyszíneken, valós időjárási és működési körülmények között. Figyelembe véve a nagy területen elhelyezett napelemek nagy számát, soronkénti szabályos rendezettségüket, és elhelyezésük geometriáját, a környezeti változókat (napsütés beesési szöge), valamint a hőkamerák műszaki adottságait, a legelőnyösebb, ha a rendszereket zónákra osztva, bizonyos magasságokból nagy rálátással vizsgáljuk egyszerre, ami átfogó de viszonylag kis magasságú légi felvételezéssel kivitelezhető. A jelenlegi kamerák kis önsúlya és műszaki tudása lehetőséget kínál az alacsonyan, stabilan, akár előre programozott útvonalon is hosszú ideig repülni képes intelligens kisméretű pilóta nélküli (UAV) légi repülő eszközökre való felszerelésükre is.

Gyakorlati tapasztalatok alapján elmondható, hogy a napelemek vagy napelemes rendszerek termográfiai eljárással való helyszíni vizsgálata valós körülmények között gyakran nehézségekbe ütközik, és hosszú időt vesz igénybe még a földfelszínre telepítettek esetében is (nem beszélve az épületek tetőszerkezetére szereltekről). A nehézségek közé sorolandó a kamera rálátási szögének és tárgytávolságának állandó és helyes betartása, a mérés megismételhetősége (a vizsgálati nyomvonal újra bejárhatósága), a napfény visszatükröződés kikerülése/kiszűrése, amit gyakran a valós időjárási körülmények nagymértékű változása is kísér (felhősödések). Indokoltnak tűnik, egy olyan légi mérési eljárás kidolgozása és megvalósítása, amellyel a fenti nehézségeket kiküszöbölve új, piacképes szolgáltatás nyújtható a napelemes rendszerek üzemeltetői számára megfizethető áron. Legfontosabb előnye az ilyen mérési eljárásnak a gyorsasága, gazdaságossága, megismételhetősége, pontossága, az adatok gyűjthetősége, rögzítése feldolgozhatósága,dokumentálhatósága,szoftveres kiértékelhetősége.

Projekt ötlet

A projektnek az alapötlete - egy fejlesztés keretében olyan összetett méréstechnikai eszközrendszer és eljárás megvalósítása - mellyel úgy a hazai, mint a nemzetközi piacon konkurencia képes szolgáltatás nyújtható a napelemes rendszerek vizsgálatának terén, valós időjárási körülmények között. A méréstechnikai eljárás olyan eszközrendszerre támaszkodna, mely bizonyítottan működőképes és elérhető, a célnak leginkább megfelelő. A projekt keretein belül megvalósításra kerülne az eszközök integrálása egy egységes rendszerbe, valamint az így kialakított rendszer tovább fejlesztése valósulna meg a fentebb közelítőleg meghatározott feladatoknak megfelelően. 

A projekt céljának meghatározása

Létre kell hozni egy olyan föld-levegő mobil rendszert, melynek mozgó földi irányító, mérési adatfeldolgozó állomása és közepes hatósugarú pilóta nélküli, automatikus repülésre alkalmas légi egysége van, melynek fedélzetén találhatóak a feladatoknak megfelelő méréstechnikai, adatfeldolgozó és kommunikációs eszközök. Célszerű a mozgó földi irányító állomást úgy kialakítani, hogy az a légi egység hordozója és műszaki szervízközpontja is legyen egyben. A légi egység olyan méretű legyen és olyan repülési tulajdonságokkal rendelkezzen, mely leginkább megfelelő a napelemes rendszerek vizsgálatához úgy kiserőműi, mint  nagyerőmüi szinten.