Údržba fotovoltaických elektráren

Na sklonku loňského roku energetické společnosti opět zahájily výkup elektřiny, a tak fotovoltaické elektrárny získaly opět na popularitě. Svědčí o tom jejich instalovaný počet, který překonal boom roku 2010. I když se ceny instalací výrazně snížily, stále jsou pro investora nejvyšším počátečním nákladem a automaticky se kalkuluje návratnost, kterou mu zajistí vyrobená elektřina. Pokud však panely nejsou v ideální kondici, může se tato návratnost prodloužit i o několik let.

Vzhledem k podporám obnovitelných zdrojů je Česká republika na špici ve výrobě solární energie v Evropě. Z pohledu instalovaného výkonu, který Energetický regulační úřad (ERÚ) evidoval ve výši 2072 MW , a v poměru na počet obyvatel nám celkově patří třetí místo. Před ČR je už pouze Německo a Itálie.

Z informací ERÚ vyplývá, že za rok 2012 došlo k dramatickému nárůstu instalací slunečních elektráren (8907 ks), v průměru však o výkonu 12,7 kW oproti roku 2010, kdy průměr činil 218 kW na 6829 elektráren.

Současné obrovské množství elektráren (nyní celkem 21 925 ks v ČR) samozřejmě musí zajišťovat dostatečnou návratnost investic, aby zůstaly ziskovými. To bude záviset, mezi dalšími faktory, na perfektním provozu instalací nebo jinými slovy na optimální výkonnosti celé elektrárny, zvláště když jsou náklady na výrobu elektrické energie v solárních elektrárnách vyšší než náklady u jiných více konvenčních technologií.

Fotovoltaické instalace

Fotovoltaická instalace se v zásadě skládá z fotovoltaických panelových systémů instalovaných ve vhodných konstrukcích, invertorů, které převádějí stejnosměrné napětí generované solárními panely na střídavé napětí, systému, který orientuje panely v závislosti na typu instalace, kabeláže, ochranných systémů a souvisejících středněnapěťových prvků, pokud je soustava napojena ke komerční síti. Všechny tyto prvky formují soustavu, která, když funguje správně, poskytuje návrat investic během kalkulovaného období.

Fotovoltaické panely

Fotovoltaický panelový systém se skládá z panelů nebo modulů, které obsahují články založené na polovodičích, které jsou citlivé na sluneční záření. Tyto články generují stejnosměrné napětí. Technologie využívající tyto fotovoltaické články se mohou lišit a zahrnují technologie využívající polykrystalický křemík, tenkou fólii, tellurid kademnatý nebo GaAs, každá s vlastním měrným výkonem.

Tyto články jsou seskupeny do panelu v jedné nebo několika paralelních sériích, aby bylo dosaženo požadovaného výkonu a napětí. Za normálních provozních podmínek generuje každý fotovoltaický článek, když na něj dopadá sluneční záření, napětí, které, pokud je přidáno k zbývajícím článkům v sérii, zajišťuje výstupní napětí pro daný panel, který napájí invertor, jenž generuje střídavé napětí.

Když článek nepracuje nebo negeneruje elektrickou energii kvůli tomu, že nepřijímá sluneční záření, může být opačně polarizován, to znamená, že se bude chovat jako spotřebič a nikoli jako generátor, což může mít za následek vysoký rozptyl tepla. Tuto situaci je možné jednoduše detekovat, pokud je použita termokamera, například Fluke s technologií IR-FusionŸ pro zobrazení reálného a termálního snímku najednou.

Termokamera Fluke bude zároveň zachycovat celkový radiometrický snímek tepleného záření spolu se snímkem ve viditelném oboru spektra, přičemž bude překrývat jeden obrazový bod druhým s různou měrou průhlednosti. Takto získaný obraz ukáže povrchové teploty zobrazovaných objektů (v tomto případě fotovoltaických panelů) s použitím barevné palety, kterou může uživatel zvolit a která reprezentuje různé teploty s použitím různých barev spolu s obrazem ve viditelné oblasti spektra, což zjednodušuje identifikaci jednotlivých prvků. Díky obrazu v infračerveném oboru jsme schopni vidět, jak se vadné články přehřívají.

Nejpříhodnější podmínky pro detekci tohoto typu problému jsou v době, kdy má panel největší výkon, standardně uprostřed jasného dne. Za těchto podmínek je možné detekovat články s teplotami dosahujícími až 111°C. V závislosti na struktuře fotovoltaického panelu, a pokud jsou články zapojeny sériově, aby bylo dosaženo nejvhodnějšího napětí pro používaný invertor, by mohla závada na jednom článku vést k celkové nebo částečné ztrátě výkonu daného fotovoltaického panelu.

V obou případech vede tento typ problému ke snížení výkonu panelu, což znamená, že se investice vrátí později. Navíc problémy spojené s přehříváním mohou vést ke snížení účinnosti okolních článků nebo dokonce k jejich poruchám, čímž se může problém rozšířit na větší oblast příslušného panelu.

Fotovoltaické panely je možné pomocí termokamery kontrolovat z přední nebo zadní strany. Druhý způsob je zvláště výhodný, protože se vyhnete problémům s odrazem slunečního záření nebo odrazem kvůli emisivitě (intenzitě vyzařování) spojené s krystalickým povrchem panelů.

V každém případě umožňuje termografie identifikovat panely s horkými body rychleji a bezdotykově nebo z větší vzdálenosti. Jednoduše stačí nasnímat danou instalaci pomocí termokamery.

Fotovoltaický panel s defektním solárním článkem zachycený termokamerou Fluke s techologií IR Fusion. Foto: Fluke

Solární panel s více vadnými články a plochami. Foto: Fluke

Měření provedené z velké vzdálenosti pro kontrolu solárních polí. Uprostřed je vidět detekovaný vadný článek. Foto: Fluke

Pokud se snažíte vyhnout problémům spojeným s inverzní polarizací článků, mohou fotovoltaické moduly zahrnovat ochranné diody (závěrné diody, jednosměrné diody nebo nulové diody), které budou rozptylovat více výkonu s tím, jak bude růst počet vadných článků. Toto teplo může být také detekováno pomocí termokamer snímáním panelu ze strany, kde je umístěno připojení. Zvláštní pozornost byste měli věnovat přítomnosti stínů na fotovoltaických panelech způsobených stromy, sloupy středního napětí, dalšími panely atd., které mohou vést k výskytu nepravidelných tepelných oblastí a tudíž i falešné interpretaci (obzvláště pokud jsou infračervené snímky pořízeny časně z rána nebo pozdě odpoledne).

Další prvky, které by měly být kontrolovány

Termální kontrola motorů zajišťujících natáčení panelů ke slunci. Foto: Fluke

Dalšími místy, které mohou být kontrolovány pomocí termokamer jsou motory. Kvůli různým podmínkám, jako jsou povětrnostní podmínky v okolí motorů, nebo kvůli jejich nesprávnému dimenzování se mohou tyto motory zahřívat do míry, kdy je jejich užitková životnost významně snížena. Takové zahřívání by mohlo způsobit mechanické problémy (problémy v ložiscích a se souosostí), problémy s větráním, mezerami ve vinutí atd.

Ukázka kontroly zatížení/přetížení kabelových svazků a přípojných míst, jakou jsou např. pojistkové skříně. Foto: Fluke

Aby bylo možné kontrolovat, že motor perfektně pracuje, je možné použít i jiné měřicí nástroje, jako jsou klešťové měřiče, přístroje na měření izolace atd. Tato opatření jsou ale velmi nákladná.

Podobně můžeme používat termokameru pro detekci nadměrného zahřívání invertorů a středněnapěťových transformátorů. V středněnapěťových transformátorech můžeme detekovat problémy se středně a nízko napěťovými připojeními, jakož i problémy s vnitřním vinutím.

Dalším místem, kde bude termografie velmi užitečná při provádění preventivní a prediktivní údržby, jsou spojovací body, které se mohou časem uvolňovat, což může vést k provozním problémům a zbytečným poruchám obzvláště, pokud má fotovoltaická elektrárna větší množství připojení stejnosměrného a střídavého proudu a elektrické panely. S ohledem na takovouto situaci je nutné si uvědomit, že každé špatné spojení vytváří místo s větším odporem; jinými slovy místo, kde je větší tepelný rozptyl (ztráta způsobená vyzařováním tepla) na účet Joulova efektu.

Závěr

Při dané době amortizace fotovoltaických elektráren (mezi 6 a 10 lety) je podstatné zajistit, aby byl výkon elektrárny v rozmezí limitů zvažovaných během fáze návrhu elektrárny tak, aby byla její ziskovat garantována po celou dobu provozu. V tomto ohledu je termografie základním nástrojem pro analyzování provozu a účinnosti různých prvků tvořících kompletní instalaci: fotovoltaické moduly, spojení, motory, transformátory, invertory atd. Snížení účinnosti fotovoltaických panelů může vést k významnému snížení doby amortizace elektrárny.

Jako u mnoha dalších instalací a procesů je teplota rozhodujícím parametrem při správném provozu zařízení. Například existuje základní pravidlo, které stanovuje, že pro danou část zařízení znamená nárůst teploty o 10°C nad provozní teplotu doporučenou výrobcem padesátiprocentní snížení užitkové životnosti zařízení. Toto jednoduché pravidlo nám ukazuje, jak mohou nadměrné teploty způsobit významné náklady s ohledem na zařízení a všeobecnou údržbu. Navíc, uvážíme-li, že solární panely zahrnují velké množství polovodičových článků, teplo generované vadným článkem může vést k znehodnocení sousedních článků, čímž se problém časem ještě znásobí.

Dalším velmi důležitým aspektem je úspěšné uvedení elektrárny do chodu. V tomto případě je termokamera velmi cenným nástrojem, jelikož umožňuje vedoucímu provozu jednoduše detekovat fotovoltaické panely s výrobními vadami a aplikovat příslušnou záruku.

Všechny tyto aspekty nám ukazují, jak je termografie nezbytným nástrojem při údržbě instalací. Navíc je možné tento nástroj velmi jednoduše používat, což umožňuje jeho plnou integraci do sady nástrojů používaných k údržbě, kterou používají údržbáři (multimetry, klešťové měřiče, měřiče izolace, analyzéry kvality energie atd.

Více informací o měřících přístrojích naleznete zde: http://www.fluke.cz Sledujte společnost Fluke na síti Facebook (www.facebook.com/flukeczsk).