• Magyar
  • English
  • Русский

Jelenlegi hely

Kutatás

Megvalósíthatóság előzetes vizsgálata

Az előzetes vizsgálat kiterjedt a megvalósítás minden lényeges elemére, a félvezetők fizikájára, napelemekre, napelemek gyártására, a napelemes rendszerekre, inverterekre, hibákra és hibajelenségekre, napszimulátorokra, napsugárzás összetevőire, a légkör fizikájára, a felhősödés napelemekre gyakorolt árnyékhatásaira és környezeti tárgyak által előidézett árnyék jelenségekre, a termográfiára, a hőkamerákra, az adatgyűjtő és feldolgozó szoftverekre, a pilóta nélküli távirányítható elektromos belsőégésű robbanómotoros és gázturbinás robothelikopterekre, a mechanikai műszaki technikai elemekre, a vezérlés technikára.  A feladat a fenti felsorolás alapján láthatóan összetett. A projekt megvalósításhoz széleskörű ismeretekre, tudásra és jártasságra van szükség, amivel a projektben résztvevő  szakemberek rendelkeznek.

Napelemek, felépítése, gyártása, hibái és hiba jelenségei

A projektben alkalmazott eljáráshoz szükséges ismerni a vizsgálat tárgyát képező jelenleg sorozatban gyártott különböző napelemeket, anyagszerkezetüket és gyártástechnológiájukat, a működésük során esetlegesen kialakuló és előforduló jelenségeket, hibákat és meghibásodásokat.Fel kell feltárni a jelenségek és meghibásodások okait, megkülönböztetni a napelemek sorozatgyártására visszavezethető hibákat a mechanikai sérülések által okozott hibáktól ( előbbiek a gyártót terhelik, míg utóbbiak a kivitelezőket ). 

Az előzetes vizsgálatok szerint valós üzemeltetési körülmények között a napelemeknél előforduló lényeges hiba jelenségek és hibák termográfia eljárással felderíthetőek, a hibás áramtermelést kísérő túlzott felmelegedésekkimutathatóak a napelemek felületén, a viszonylag nagy kiterjedésűknek köszönhetően. Ez utóbbi nyújt lehetőséget a légi termográfiai vizsgálatokra, ugyanis a leginkább elterjedt, kristályos struktúrákra visszavezethető napelem modulokban az egyenkénti cellák mérete általában 150x150 mm, ami megfelelő termográfiai optikával, megfelelő felbontású detektálással nagy távolságból is vizsgálható, akár levegőből is.

Gyakorlati tapasztalatok alapján a tipikus hibákra és jelenségekre  (mindenhol előfordul, nem ország és helyfüggő  ) nemzetközileg is elfogadott egységes nyilvántartás készíthető termográfiai mérési alapokon, mivel a termográfia által nyújtott vizsgálati lehetőségeket mára már minden kétséget kizáróan elfogadta a napelemes szakma. 

 A napelemek adottságait vizsgáljuk meg, mint energiatermelő generátorokét, a teljesség igénye nélkül, de kiemelve a számunkra fontosakat. A napelemek fotovoltaikus eszközök, fényenergiát alakítanak át közvetlenül elektromos energiává, tehát a működésükhöz fényre (ami származhat nemcsak a Napból) van szükség. Csakhogy nem akármilyenre, hanem olyanra, melynek a spektrumában megvannak azok az elektromágneses hullámok, melyekre érzékenyek a napelemekben alkalmazott félvezetők. Sajnos a spektrum többi része jelenleg a napelemek felesleges felmelegedését okozza ( ezt a tényt figyelembe kell venni a termográfiai méréseknél ). A meghibásodott napelem moduloknál a hibák további, akár jelentős hőmérséklet emelkedést is okoznak. A termográfiai vizsgálati eljárással készült felvételeken minden esetben jól megkülönböztethető a környezet háttér hősugárzása, a napelemek természetes hősugárzása, valamint a kirívó, hibákra vagy meghibásodási folyamatokra utaló magas hőmérsékletű területek, ami kellő alapot nyújt a vizsgálatok során készülő digitalizált felvételek szoftveresen automatizált gyors kiértékelésére

Elektromos energiatermelés szempontjából a napelemek felmelegedése az üzemi hőmérséklettől eltérőlényegesen magasabb hőfokra jelentős hozam csökkenéssel jár, amit alátámasztanak a napelemes rendszerek energiahozam nyilvántartásai a különböző éghajlati és időjárási viszonyok közötti mérésekből származó adatokkal.

Ismert tény a félvezetők fizikájából, hogy a napelemek félvezető anyagának viselkedése áramtermelés szempontjából hőmérsékletfüggő és elmondható, hogy minél magasabb az üzemi hőmérsékletük, annál kisebb az elektromos energia termelésük (hozamuk). Ez indokolja a napelemes energiatermelő rendszerek éves szinten ismételhető rendszeres felülvizsgálatát termográfiai vizsgálati eljárással, amiből az üzemeltetőknek  jelentős hozamnövekedése származhat  árbevétel szinten.

A lejátszódó folyamatok ismertetéséhez és megértéséhez elengedhetetlen, hogy a különböző napelemek felépítésével tisztában kell lenni. Legegyszerűbb, ha a kristályos (mono- vagy polikristályos anyagú Si) cellaszerkezetű modulokat vesszük példának, ahol minden cellának meg van a maga sajátságos fizikai tulajdonsága és anyagszerkezete ( a gyártás során, szériagyártásról van szó, gyakorlatilag két tökéletesen egyforma paraméterekkel rendelkező cella soha nem készül). A cellák közel azonosak az elektromos paramétereiket tekintve, azaz laboratóriumi körülmények között jól mérhetőek a cellák által egyenként szolgáltatott feszültségek és áramerősségek a megvilágításuk során. A mért értékek alapján a cellákat osztályozzák, a napelem modulokat pedig azonos osztályú cellákból igyekeznek felépíteni. 

Összegezve tehát, az osztályozott/válogatott, közel azonos paraméterekkel rendelkező cellákból készülnek el a napelem modulok (elvileg). Gyakorlatilag a modulok gyártása során előfordul, hogy jelentősen eltérő paraméterekkel rendelkező cellákat építenek be a modulokba (más és más osztályból származókat), amit ránézésre kizárt észrevenni, de a termográfiai vizsgálati módszerek alkalmazásával lehetségessé válik a grafikus megjelenítésük.

A különböző osztályból származó cellák egy modulon belüli keveredése gyakran megfigyelhető,  annyira elterjedt jelenség, hogy a termográfiai felvételeken „sakktábla” mintázatot mutatnak, már létezik bevezetett szakmai elnevezésük, ami találóan a „mis-más”.

Az ábrán bal oldalon egy kínai nagyvállalat sorozatban gyártott napelem modulján,  a hőkamerés vizsgálat során jól megfigyelhető a „mis-más” jelenség. Ugyanakkor egy hibás cella is felfedezhető, melynek a hőmérséklete messze magasabb, mint a környezetében lévő többi cellának.

Termográfiai vizsgálat

Külön kell foglalkozni a napelemek celláinak egységes rendszerré történő  kialakításával, a kapcsolásával és az elektromos kötések kialakításával, mely természetesen újabb hibaforrási lehetőség. A cellákat a gyártás során sorba kötik (füzérezik, létrehozva modulon belül a „string”-eket) a megfelelő modul feszültségszint eléréséig, az áramerősséget pedig a cellasorok párhuzamos kapcsolása adja. A kötések kialakításának lehetőségét az adja, hogy minden cellának az alsó felülete általában valamilyen elektromosan vezető anyagból készülő réteg ( a cella egyik pólusa ), míg a napfény beesés felőli oldalán egy vékony, hálószerű vezető rácsszerkezetet alakítanak ki szélesebb áramgyűjtő sínekkel ( a cella másik pólusa, ami már kezdeti állapotában is 4-6% -ban beárnyékolja a cella felületét ). A napelem cellák a megvilágítás hatására egyenáramot termelnek, azaz pólusaik negatív és pozitív polarítású kivezetések. A cellák sorba kötése ezeknek a kivezetéseknek ( pólusok ) az összeforrasztásával történik. Természetesen a gyártás során előfordulhatnak forrasztási hibák, valamint a kontaktusok anyaghibáiból, oxidációjából származtatható hibák, melyek a gyártás végfokán a minőségi vizsgálati tesztek időbeli rövidsége miatt ritkán felfedezhetőek. Ám valós körülmények közötti, hosszú idejű üzemeltetésük során, főleg hogy a környezeti hőmérséklet is széles skálán változik folyamatosan, és ez által a modul hőmérséklete is (dilattál), a hibás kontaktusoknál jelentős változások állhatnak elő, elektromos ellenállásuk lokálisan megnőhet, amit fokozott lokális hőtermelés kísér működő állapotukban. Ezt a hibajelenséget, amit kontaktus hibaként ismer és tart nyilván a szakma, csak megfelelő érzékenységű ( felbontású ) hőkamerával lehet felfedezni és kimutatni kezdeti állapotában.

Az ábrák  szemléltetik a napelem cellák sorba kötésének elvét

Ugyan ilyen nehéz felfedezni és kimutatni a cellák félvezető anyagának hibáiból eredő úgy nevezett magas hőmérsékletű rövidzárlati pontokat. Ezeket a szakma mint „hot spot” hibajelenség nevezi. Mindkét hibajelenség gyártói hibákra utal.

A pontszerűen megjelenő magas hőmérsékleti pontokat felfedezni és kimutatni kezdeti fázisukban csak a napelem modulok aprólékos, tüzetes vizsgálatával lehetséges, mivel a napelem modulok kialakításánál alkalmazott anyagok ( EVA fólia, frontoldali üveglap, hátoldali kompozit hordozó réteg ) leárnyékolják a forró pontok kezdeti hőkisugárzását ( lásd alsó ábra ).  Ez komoly feladatot jelent a légi termográfiai állapotfelmérő vizsgálatok esetében is.

Ha a cellák más-más feszültséget és áramerősséget produkálnak, akkor természetesen más és más a belső elektromos ellenállásuk, a sorba és párhuzamosan kötött cellákon átfolyó áram ennek köszönhetően más és más mértékben fogja az eltérő cellákat felmelegíteni.Ezek a felmelegedett cellák már jól láthatóak az infravörös termográfia felvételeken.

Nyáron, valós üzemi körülmények között, a modulok hőmérséklete napkövető trekkerekre szerelve is elérheti a 40-45 celsius fokot, míg a tetőre szereltek 65-70 celsius  fokot.Ennek oka a magas környezeti hőmérséklet (a modulok léghűtését gátolja), az erős inszoláció (beleértve a napsugárzás infravörös spektrumát is), a tetőszerkezetek magas hőmérséklete (infravörös kisugárzása) és magának a modulok celláinak az önhevülése áramtermelésük közben. 

A szilícium mono- és polikristályos bázisú napelem modulok celláiban magas  hőmérsékleten, lavinaszerűen, u.n.  „hot-spot” forró pontok alakulhatnak ki, melyek rövidzárlatot okozhatnak a modulokban akár oly mértékben, hogy teljes cellák rövidzár állapotba kerülhetnek, belső terhelésként viselkedve (megváltozott polaritással) a szomszédos cellák áramtermelését is magukra vonva. A modul valós hatásfoka így a hibás cellák mennyiségétől függően – csökken, míg a hőmérséklete ugrásszerűen megnő, ami akár öngyulladáshoz is vezethet.

A „hot-spot” pontok oka a szolár minőségű szilícium előállítási gyártástechnológiáiban keresendő (kristályrács hibák és szennyező anyagok a gyártás során), valamint a frontoldali áramgyűjtő háló és sínkontaktus árnyékhatásának egybeesése magas környezeti hőmérsékleten a lokális kristályrács vagy p-n átmenet hibájával.

Megjegyzés: a vékony film modulok gyártástechnológiájának köszönhetően – pld. az amorf szilícium rétegleválasztásos eljárással történő felvitele – sokkal kevesebb anyag és szerkezeti hibával történik, a modul frontoldali felületén nem található áramgyűjtő fémháló, sem sínkontaktus, mivel a napelem cellákat és elektromos kötéseiket összefüggő rétegrendekkel mondhatni egy menetben ( valójában 3 lépésben ) alakítják ki. A napelem cellák hosszanti vagy keresztirányú hosszú csíkok és a modulon széltől szélig érnek.  Így a teljes modul üzem közben homogén hőképet mutat és nincs önárnyékolás sem.

Természetesen a vékonyrétegű napelem modulok sem teljesen mentesek a gyártási hibáktól, a legtöbb esetben rétegrendi anyaghibák keletkeznek, ám a modulok kevésbé érzékenyek az árnyékhatásokra, mivel a hosszanti cellák teljes mértékben ritkábban kerülnek árnyékba. Arra azonban érzékenyek, ha valamilyen okból kifolyólag egy hosszanti cellájuk teljesen árnyékba kerül sávosan.A „hot-spot” forró pont jelenséghez hasonló jelenség zajlik a kristályos cellák akár részleges leárnyékolása esetében is, a cella beárnyékolásának köszönhetően. 

Hőkamera Drónra

A projekt megvalósításának szempontjából elégségesnek tűnne egy nyitott kamera tartó szerkezet alkalmazása, ám figyelembe véve, hogy az eszközrendszerrel nyújtható  szolgáltatási célterület idővel szélesedni fog, valamint a kutató hőkamerát értékéből kifolyólag is védeni kell a sérülésektől ( madárral való véletlen ütközés, az objektív külső védőrétegének véletlen sérülése fel- és leszálláskor a felkavart portól, mikroszemcséktől, felpattanó kis kövektől ), ezért mindenképpen a zárt testű gyro-stabilizált gondola kialakítása az indokolt.

Robothelikopter hasznos teherbírása, kamera tartószerkezet és annak méret lehetőségei a robothelikopterhez adaptáltan, a célnak megfelelő kamera, annak méretei, önsúlya és műszaki-technikai tudása , mindezeket egységesen és egyszerre kellett figyelembe venni, mint alkalmazhatósági feltételeket a hőkamera végleges kiválasztásánál.

Az előtanulmányban megvizsgáltuk különböző hőkamera gyártók termékeit a legfontosabb szempontok alapján – a projekt céljának megfelelően analizálva az alkalmazhatóságukat. Megvizsgáltuk műszaki-technikai tudásukat, kizártuk azokat a kézi hőkamerákat, melyek bár elégségesnek bizonyultak földfelszíni vizsgálatokhoz, ám légi alkalmazásuk a kialakításuk, küllemük és műszaki tudásuk alapján a projekt elvárásainak nem felelnek meg. A kézi kamerák vizuális bemutatása már láttatja, hogy a küllemük, kialakításuk miatt miért is nem megfelelőek a projekt céljának. 

Az alábbi fotókon az elterjedt kézikamera  típusokat mutatjuk be.

 

A fentebb ábrázolt hőkamerák műszaki tudásával kapcsolatosan annyit meg kell jegyezni, hogy kis felbontással és érzékenységgel rendelkeznek, optikájuk általában fix fókuszos, kijelzőjük kis méretű. Szerény műszaki tudásuk és alacsony áruk miatt ( néhány ezer euro ) műszaki karbantartási feladatok elvégzéséhez alkalmazzák elsősorban.

Nagyobb érdeklődéssel vizsgáltuk a kamkorder jellegű hőkamerákat, melyek jellemzően cserélhető és állítható különböző optikával, nagyobb felbontással, érzékenységgel, kijelzőkkel rendelkeznek. Az alábbi felvételeken a teljesség igénye nélkül bemutatjuk ezen kameratípusokat. Megjegyezzük, hogy ezen kamerák gyártását már nemzetközileg elismert, nagy múlttal és tapasztalattal rendelkező cégek végzik, mint az InfraTec, FLUKE, FLIR, NEC, TESTO. 

A gyártó cégek közül kiemelkedik az InfaTec GmbH, mely a JENOPTIC AG vállalattal szorosan együttműködve már régóta fejleszti a termográfiai eszközöket, az érzékelőket, mikrobolométereket, hőkamerákat és termográfiai adatgyűjtő feldolgozó, elemző szoftvereket. Európában ez a vállalat volt az első, mely infravörös in-line (gyártósorba integrálható) vizsgálati eljárást fejlesztett ki a napelem gyártó vállalatok számára, így természetesen ők szereztek legtöbb tapasztalatot a napelem cellák és modulok vizsgálata terén. Jelenleg az InfraTec kínálja az európai piacon a legjobb kutató-fejlesztő kamerát az összes paramétereit tekintve. Az első nagyfelbontású hőkamera 1 megapixel fölötti képtartományban. Fedélzeti elektronikájának köszönhetően már képes WLAN hálózaton ( kábel nélküli ) történő adattovábbításra ( duplex üzemmódban, azaz képes adni és fogadni adatokat egyszerre ) valós időben (távirányítható).  Rendelkezik beépített optikai kamerával is, melynek képét képes lekeverni az infravörös kamerának a képével tapasztalataink szerint a legjobb minőségben. Beépített lézeres jelölője, valamint mini LED reflektora van. Energiafogyasztása alacsony, akkumulátorról működtetve képes több, mint 4 órát üzemelni. Külleme robosztusnak nem mondható, ám kellően ellenálló a mechanikai hatásoknak. Az általunk kiválasztott kutató-fejlesztő hőkamera egy több éve tartó fejlesztési munka új generációs tagja. Szakmai véleményünk, valamint a projekt céljának műszaki elvárásai alapján kijelenthető, hogy ez a kutató-fejlesztő hőkamera a legalkalmasabb a robothelikopteren való alkalmazásra, megtartva minden előnyös tulajdonságait akár földfelszíni ellenőrző vizsgálatok elvégzéséhez is.

 

Az InfraTec In-Line méréstechnikai eljárása napelem cellák és modulok vizsgálatához világhírű. Olyan gyártó nagyvállatok alkalmazzák, mint a GE, BP, stb., sőt, a Németországi Fraunhofer Intézet, mely köztudottam az Európai napelem vizsgáló laboratóriumok élén ál, szintén az InfraTec  vizsgálati eljárását és eszközeit alkalmazza laborjaiban.

A PROJEKT

A projekt keretein belül általunk kifejlesztésre kerülő légi termográfia vizsgálati eszközrendszerrel és eljárással a napenergia hasznosító nagyméretű fotovoltaikus rendszereket kívánjuk vizsgálni, hiánypótló szolgáltatást nyújtva, elsősorban az Európai tagállamok területén üzembe helyezett fotovoltaikus naperőművek üzemeltetői és tulajdonosai számára. A célunk, hogy az alternatív energiatermelés ezen eszközrendszerének hatékonyságát növeljük, ami a zöld energia fotovoltaikus ágazatából származó elektromos energia mennyiségének növekedését, a CO kibocsátás további csökkenését, a beruházások megtérülésének rövidülését fogja eredményezni a köz- és a magánszféra közös megelégedésére.

Projekt előkészítő munkánk során elemeztük a fotovoltaikus iparágat, annak tudományos és műszaki hátterét, áttekintettük létrejöttét és fejlődését. A projekt szempontjából lényeges és szükséges rámutatnunk a szolgáltatásunk célterületének dinamikus fejlődésére, a beépített kapacitások megállíthatatlan növekedésére, ami számunkra a piaci árbevételünk reálisan prognosztizálható növekedését vetíti előre. Elfogulatlanságunkat és helyes piaci meglátásainkat, elgondolásainkat támasztják alá az EPIA (European Photovoltaic Industry Association – Európai Napenergia Ipar Szövetség) által végzett, publikus felmérések és elemzések, melyekkel az iparág további fejlődését hivatottak szolgálni. Az EPIA minden, az iparágban tevékenykedő vagy tevékenységét ahhoz kötő szereplő számára projektjeik megvalósítását elősegítendő elérhetővé és szabadon felhasználhatóvá tette kiadványait, melyekben hiteles forrásokból származó (legtöbb esetben Európai tagállamok hivatalos szervei) a PV iparággal kapcsolatos lényeges adatokat dolgoz fel és publikál, megengedvén az illetékmentes rájuk való hivatkozást, felhasználást. Projekt elképzelésünk megvalósíthatóságát az EPIA publikációi messzemenően alátámasztják.