Mit einem deutlich vernehmbaren Surren hebt der schwere Oktokopter vom Boden ab. Als würde er nichts wiegen, schwebt er zur Scheune. Im Inneren lagern Tonnen von Zwiebeln, auf dem schwach geneigten Dach thront eine große Solaranlage. Fehlende Wartungsgänge machen die Inspektion der Module nicht einfach. Ohne Flugroboter würde die Aufnahme von Elektrolumineszenzbildern zur großen Herausforderung. Da die Scheune außerhalb einer geschlossenen Ortschaft und weitab von Wohnbebauung steht, gibt es auch keine Probleme mit der Aufstiegsgenehmigung.
Die Leichtigkeit, mit der der Kopter durch die Lüfte schwebt, täuscht über sein Gewicht hinweg. Mit seinen acht bis neun Kilogramm ist Air Lab One, so der Name des Fluggeräts, alles andere als ein Spielzeug. Stefan Hück hat ihn selbst entwickelt. Er ist Geschäftsführer von Five Robots in Aachen. Zusammen mit Andreas Fladung, Geschäftsführer von Fladung Solartechnik – ebenfalls aus der Kaiserstadt –, hat er schon viele Solaranlagen aus der Luft inspiziert.
Mit Stativ und Drohne
Um in Zukunft diese Dienstleistung noch ausweiten zu können, haben sie zusammen mit weiteren Projektpartnern ein Gesamtkonzept zur preiswerten Inspektion von Photovoltaikanlagen entwickelt – die Aerial PV Inspection.
Dabei geht es um mehr, als nur Elektrolumineszenz- oder Thermografieaufnahmen zu machen, ohne die Module deinstallieren zu müssen. Das bietet Andreas Fladung schon seit Jahren an und stößt dabei auf immer größere Nachfrage. Mit verschiedenen Stativsystemen und Flugrobotern sucht er nach Modulfehlern.
Dabei kamen zunächst unterschiedliche tragbare Stative und auch ein Steadicam-Stativ zum Einsatz, bevor Andreas Fladung ein Hochstativ entwickelte. Mit einem schwenkbaren Motorkopf und einem Fernauslöser konnte er so auch Elektrolumineszenzaufnahmen von Modulen machen, die auf schwer zugänglichen Dächern installiert sind. Dieses Stativ setzt er immer noch ein, wenn der Flug mit dem Kopter nicht erlaubt ist. Etwa bei der Fehlersuche an Anlagen in Wohngebieten oder in Flugverbotszonen.
Jüngst hat Fladung noch ein neues Stativ entwickelt, mit dem er Elektrolumineszenzbilder von gleich vier Modulen in Solarparks auf einen Schlag machen kann, das Air Slide One. Damit ist er aktuell bei Einzelaufnahmen sogar noch schneller als der Flugroboter.
Dieses Stativ setzt er in Zukunft regelmäßig bei der Überprüfung ganzer Solarparks ein, wenn das Wetter für den Kopterflug zu schlecht ist. Der Kopter könnte zwar theoretisch auch bei starkem Wind starten. Doch dann schafft er es nicht, so ruhig in der Luft zu bleiben, damit die Einzelaufnahmen von Elektrolumineszenzbildern mit ihren längeren Belichtungszeiten gelingen. Das Stativ kam jüngst bei zwei Aufträgen in Großbritannien zum Einsatz.
Alterung sichtbar machen
Bisher haben Andreas Fladung und Stefan Hück vor allem Wärmebild- und Elektrolumineszenzaufnahmen mit Spezialstativen und dem Oktokopter gemacht. In Zukunft kommen noch Fluoreszenzaufnahmen dazu. Dabei wird eine Eigenschaft des Laminationsmaterials genutzt, das die Solarzellen einbettet. Denn aufgrund der Sonneneinstrahlung verändert sich dieses an Stellen, an denen die Solarzellen oder die Verbinder dazwischen gerissen sind. Auch Hotspots führen zu einer anderen Alterung der Einbettungsfolien als bei komplett intakten Stellen.
Bei der Alterung der Einbettungsfolien entstehen in der Regel fluoreszierende Polymere. Kommt Sauerstoff dazu, was bei Zellbrüchen oder ähnlichen Fehlern der Fall ist, werden diese in nicht fluoreszierende Polymere umgewandelt.
Leuchtende Bilder zeigen die Fehler
Wenn man die Module mit Schwarzlicht bestrahlt und eine Aufnahme von der Fluoreszenz macht, kann man sehr schnell erkennen, welche Stellen nicht fluoreszieren. Entlang der Ränder von Rissen und Zellbrüchen wirft die Zelle kein Fluoreszenzlicht zurück.
Anhand der Form und der Struktur kann der Fachmann dann erkennen, ob es sich um einen Hagelschlag oder einen Fehler bei der Handhabung des Moduls durch den Monteur bei der Installation handelt. Auch Risse, die entstanden sind, weil jemand übers Modul gelaufen ist, sind deutlich identifizierbar. Hotspots hingegen werden auf der Fluoreszenzaufnahme heller erscheinen als intakte Stellen. Denn durch die hohen Temperaturen altert die Laminierfolie schneller, sodass mehr fluoreszierende Polymere entstehen. Da der Sauerstoff hier fehlt, bleiben diese erhalten.
Solarzelle unter Strom gesetzt
Ähnlich deutlich kann Fladung schon jetzt Risse, Brüche und Kontaktfehler in Zellen mithilfe der Elektrolumineszenz erkennen und sie anhand eines Fehlerbildes konkret einer Ursache zuordnen. Das ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem die eigentliche Funktion der Solarzelle umgedreht wird. Statt Licht zu absorbieren und es in Strom umzuwandeln, legt Fladung eine Spannung an und bringt die Solarzellen dazu, Licht im nahen Infrarotbereich zu emittieren. Um dieses Licht einzufangen, hat Fladung schon mehrere Digitalkameras entsprechend präpariert.
Denn eigentlich filtern die Kameras genau diesen Spektralbereich heraus, da er vom menschlichen Auge ohnehin nicht wahrgenommen würde. Für die Elektrolumineszenz ist er aber wichtig. Deshalb entfernt Fladung den Filter aus der Kamera, sodass der Sensor das komplette Lichtspektrum aufnimmt. Ein Schwarzfilter vor dem Objektiv sorgt dafür, dass das sichtbare Licht weitestgehend herausgefiltert wird und nur die leuchtenden Solarzellen zu sehen sind.
Ein Blick in die Zelle
Dabei leuchten nur die intakten Stellen der Zellen. Auf diese Weise kann der Aachener sehr einfach Fehler finden. „Wir schauen so nicht nur auf die Moduloberfläche wie bei der Thermografie, sondern direkt in die Zelle hinein“, erklärt Andreas Fladung den Vorteil der Elektrolumineszenz.
Sie hat aber auch einen Nachteil. Da jegliches Tageslicht, das auf den Sensorchip der umgebauten Digitalkamera fällt, alles Leuchten der Solarzellen überdecken würde, muss die Aufnahme bei Nacht gemacht werden. Außerdem muss jeder String vorher mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Fladung nutzt dazu derzeit drei Servicenetzteile namens PV Serve, die vom Photovoltaikbüro Thernius & Diel aus Rüsselsheim entwickelt wurden.
Um nicht jeden String einzeln zu verdrahten, hat Fladung mit dem Aepvi-Switch eine Bestromungsbox entwickelt. Die Lösung besteht aus einer Masterbox und mehreren Slaveboxen. Jede ist in jeweils einem großen Koffer untergebracht. Der Master besitzt Steckplätze für insgesamt 15 Strings. Der Handwerker muss nur die Kabel der jeweiligen Strings vom Wechselrichter oder Generatoranschlusskasten abziehen und in das Aepvi-Switch stecken. An jede Masterbox können wiederum vier Slaveboxen angeschlossen werden. Jede davon hat Steckplätze für 21 Strings. Auf diese Weise kann Fladung 99 Modulstrings auf einmal verdrahten und jeden dieser Strings einzeln mittels einer Fernsteuerung bestromen – bei 23 Modulen pro String sind das 2.277 Paneele. Das sind über 600 Kilowatt, mehr als er mit dem Slide Air One oder dem Kopter aktuell in einer Nacht überprüfen kann.
Näher ans Modul fliegen
Noch ist der Air Lab One ein Prototyp, der jetzt den letzten Schliff bekommt. Dabei muss Stefan Hück gleich mehrere Punkte beachten. „Wenn wir Einzelheiten von Modulen aufnehmen wollen, müssen wir tiefer fliegen“, erklärt Andreas Fladung. „PID ist auch aus großer Entfernung im Videomodus sichtbar. Doch wenn es beispielsweise um Modulrisse geht, brauchen wir Einzelaufnahmen von Teilen der Module.“
Das ist wiederum eine Herausforderung für den Kopter. „Denn dann brauchen wir bei den langen Belichtungszeiten eine hohe Positionsgenauigkeit, eine bessere Stabilität und gleichzeitig eine lange Flugzeit, um nicht ständig landen zu müssen“, weiß Stefan Hück. „Vor allem den Kopter stabil auf der Stelle zu fliegen, wird immer schwieriger, je näher wir an das Modul herankommen. Denn dann muss der Kopter nicht nur mit dem normalen Wind zurechtkommen, sondern auch mit seinem eigenen Luftstrom. Der Flugroboter drückt Luft auf die Moduloberfläche. Diese wird dort reflektiert und kommt als Luftstrom zu ihm zurück. Diesen muss der Flugroboter wiederum zusätzlich ausgleichen.“
Schon jetzt kann Hück mit seinem Kopter die vorgegebene Position mit einer Abweichung von maximal fünf bis sechs Zentimetern halten. „Ich nutze dafür Mehrfach-GPS-Systeme, die mit zwei mal drei Sensoren zusammen die Lage des Kopters im Raum feststellen“, beschreibt er die Technik.
Den Rest gleicht bisher die Kameraaufhängung aus. „Doch das Ziel ist, die vorgegebene Position bis auf einen Zentimeter Abweichung zu halten, damit wir auch Einzelheiten vom Modul aufnehmen können“, erklärt Stefan Hück. Für Übersichtsaufnahmen aus größerer Höhe reichen die bisher erreichten Abweichungen von fünf bis sechs Zentimetern aus. Wenn es um Detailaufnahmen geht, kann die Kameraaufhängung das nicht mehr ausgleichen.
Ruhe für Detailaufnahmen
Schon aus diesem Grund braucht Aerial PV Inspection einen speziellen Kopter. Doch das weiterentwickelte Fluggerät muss noch weitere neue Eigenschaften mitbringen, um auf das vorbereitet zu sein, was die Aachener mit ihren Projektpartnern vorhaben. Schließlich ist das Konzept der Aerial PV Inspection auf die voll automatisierte Fehlererkennung durch die verwendeten bildgebenden und anderen Verfahren ausgerichtet. „Der Kopter muss in Zukunft vollständig allein fliegen können“, bringt Stefan Hück das Ziel auf den Punkt.
Der Kopter wird in Zukunft auch die Bestromungsboxen selbstständig bedienen. „Er fliegt dann immer an den Modulreihen entlang und schaltet sich eigenständig jeweils den String zu, in den das Modul eingebunden ist, über dem er gerade schwebt“, erklärt Andreas Fladung. Dazu verkabelt der Handwerker die einzelnen Strings mit der Box. In diese können problemlos externe Kennlinienmessgeräte angeschlossen werden, sodass er gleich automatisch die Kennlinie der verdrahteten Strings aufnehmen kann.
Wenn es dunkel ist, startet der Kopter und überfliegt die gesamte Anlage. Auf einem Videostream, den er zum Boden schickt, kann der Prüfer genau sehen, wo die defekten Module sind. Danach kann er entweder den Kopter noch einmal für eine Detailaufnahme zu den betroffenen Modulen schicken oder er macht die Detailaufnahmen mit einem Stativ.
Position des Moduls mit erfassen
Dabei werden gleich die GPS-Daten aufgenommen, die jedes Modul der Anlage mit Seriennummer und genauer Lage im Park beschreiben. Diese Georeferenzierung ist für den später automatischen Flug des Kopters notwendig. Dann kann er anhand der Daten die Bestromungsbox entsprechend bedienen.
Die Georeferenzierung hat aber noch einen zweiten Vorteil. Denn dann weiß ein Handwerker, der die Wartung der Anlage übernommen hat, genau, wo er welches Modul findet. „Er geht nur noch mit dem Smartphone über die Anlage. Wenn er am angegebenen Punkt angekommen ist, vergleicht er noch die Seriennummer und kann dann die Reparatur durchführen oder das Modul tauschen, wenn das so im Auftrag vorgesehen ist“, beschreibt Fladung das Prinzip.
Aber auch der Anlagenbetreiber selbst hat einen riesigen Vorteil von der Georefenzierung. Er bekommt eine zwei- oder dreidimensionale Animation, in der er sich jedes Modul anschauen kann. Dort sind komplett alle Elektrolumineszenz-, Infrarot- und Fluoreszenzaufnahmen, die Kennlinien, die Seriennummern, der Verschmutzungsgrad und andere Informationen hinterlegt.
Bilder automatisch auswerten
Zudem kann der Betriebsführer mit dieser Animation exakt bestimmen, welches Modul wo im Park verbaut ist, und einfach auf die hinterlegten Daten zugreifen, wenn ein Fehler auftritt. Nach jeder Inspektion der Anlage werden außerdem die neuen Daten ebenfalls in dieser Animation abgelegt, sodass der Betriebsführer oder Wartungsdienstleister genau sehen kann, wie sich schon vorher festgestellte Fehler entwickeln und wo neue Fehler auftreten.
Doch selbst damit ist das Konzept der Aerial PV Inspection nicht erschöpft. Die automatisierte Fehlersuche geht auch nach der Aufnahme der Bilder noch weiter. Denn die Fotos werden in Zukunft nicht mehr von den Prüfern ausgewertet. Dies wird ein Computerprogramm übernehmen, das den auftretenden Fehler automatisch markiert. Anhand der konkreten Fehlermuster erkennt dieses nicht nur die Ursache des Defekts, sondern bewertet auch, ob der Fehler schon so weit ertragsrelevant ist, dass es sich lohnt, das Modul zu tauschen. In diesem Bereich arbeiten Fladung und Hück bereits seit zwei Jahren mit weiteren Kooperationspartnern an Softwarelösungen und komplexen Datenbankstrukturen.
Isolationsfehler finden
Zudem setzt Aerial PV Inspection noch weitere Sensortechnik ein, um Isolationsfehler, schadhafte Kabel oder lose Steckverbindungen aufzuspüren. „Wir installieren einen Schleppsensor an den Kopter“, beschreibt Fladung das Verfahren. „Der sucht die Stelle, an der eine eventuelle Leitungsunterbrechung besteht, und kann diese bis auf 20 Zentimeter genau finden.“
Auf diese Weise ist es möglich, die Überprüfung ganzer Solarparks kostengünstig durchzuführen. Denn viel hängt an der Arbeitszeit, die die Handwerker mit den bisherigen Mitteln und Konzepten in die Fehlersuche investieren müssen. Läuft diese weitgehend automatisiert, kann Aerial PV Inspection die Prüfung viel preiswerter darstellen und gleichzeitig noch in kürzerer Zeit ein viel breiteres Spektrum an Messungen und Prüfungen abdecken.
VDE
Neuer Ratgeber zur Wartung erschienen
Der VDE-Verlag hat in seiner Schriftenreihe Gebäudetechnik einen neuen Ratgeber zum störungsfreien Betrieb von Photovoltaikanlagen und Speicherbatterien veröffentlicht. Es richtet sich an Anlagenbetreiber, aber auch an Elektrohandwerker, die sich mit der Wartung und der Optimierung von Solarstromanlagen sowie der Fehlererkennung ein zusätzliches Standbein aufbauen. Die Autoren geben dazu praktische Hinweise auch für die Reinigung, die Kontrolle und Instandhaltung von Photovoltaikanlagen und Stromspeichern. Sie zeigen zusätzlich Möglichkeiten, wie die Anlagen und Systeme optimiert werden können.
Es werden außerdem alle relevanten Normen und Vorschriften detailliert beschrieben, die bei der Instandhaltung von Photovoltaikgeneratoren und Speicherbatterien zu beachten sind. Zusätzlich kommen auch Themen wie Diebstahlschutz und Schutz vor Schäden durch Tiere zur Sprache. Zudem beschäftigen sich die Autoren intensiv mit der Sicherheit der Mitarbeiter bei der Prüfung und Instandhaltung von Solaranlagen.
Intersolar
Wartung auf dem Programm
Der Betrieb und die Wartung von Solaranlagen werden in diesem Jahr auf der Intersolar in München als Themen besonders im Mittelpunkt stehen. So beschäftigt sich die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie in einer speziellen Vortragsreihe auf dem Innovations- und Anwenderforum in Halle A4 am Stand 530 mit diesem Segment.
Wie die Fehlersuche schnell geht und damit preiswert ist, wird Thema einer besonderen Vortragsreihe auf der Intersolar Conference sein. Die Referenten beschäftigen sich mit der Automatisierung der Fehlersuche und welche Möglichkeiten die Inspektion der Anlage mit einem Flugroboter bietet.
Den konkreten Geschäftsmodellen und Wartungsdienstleistungen widmet sich die Session „PV Power Plants: Operation & Maintenance Business“ auf der Intersolar Europe Conference.
Padcon
Neue PID-Box für große Anlagen entwickelt
Die potenzialinduzierte Degradation (PID) ist immer noch ein allgegenwärtiges Damoklesschwert, das über den Anlagen schwebt. Ist das Problem einmal mithilfe von Elektrolumineszenzaufnahmen der Module identifiziert, ist auch Besserung in Sicht. Kristalline Siliziummodule können mittels sogenannter PID-Boxen regeneriert werden.
Bisher sind nur wenige Hersteller auf diesem Gebiet unterwegs. Padcon mit Sitz in Kitzingen hat sich dabei vor allem auf das Segment der großen Anlagen konzentriert. Jetzt haben die Franken den neuen Float Controller CI 70 entwickelt – ihre Version der PID-Box. Das neue Gerät erreicht einen höheren Ausgangsstrom von 70 Milliampere. Aus dem bisherigen Float Controller CI 30 floss der Strom mit einer Stärke von maximal 30 Milliampere. Zudem ist er grundsätzlich in der Lage, die Spannung, mit der er die Module regeneriert, auf bis zu 1.500 Volt anzuheben. Der bisherige CI 30 schaffte nur 1.000 Volt. Die Anhebung auf ein höheres Spannungsniveau als 1.000 Volt ist nach Auskunft von Padcon aber auch bei 1.500-Volt-Systemen nicht notwendig. Die niedrigere Spannung reicht auch in den Systemen mit 1.500-Volt-Technologie aus, um die Module zu regenerieren.
Der Float Controller wird nicht zwischen Wechselrichter und Solaranlage integriert, sondern parallel zum Pluspol des Solargenerators angeschlossen. Er ist nur aktiv, wenn die Wechselrichter nicht in Betrieb sind, was hauptsächlich nachts der Fall ist. Dann versorgt die PID-Box die Module mit einer Spannung und leitet dadurch die „Heilung“ von PID ein. Tagsüber, wenn die Anlage Strom produziert und der Wechselrichter arbeitet, ist der Float Controller aus und beeinträchtigt damit nicht den normalen Betrieb der Photovoltaikanlage.
Der neue Flugroboter ist nur ein Bestandteil einer voll automatisierten Fehlersuche, Diagnose und Anlageninspektion.
Das neue Stativsystem wurde für einen Auftrag in England konzipiert.
Fehler wie PID und ausgefallene Bypassdioden (Bild oben) sind auch aus der Ferne zu erkennen. Für Detailaufnahmen muss der Flugroboter näher heran. Dabei muss er seinen eigenen Luftstrom ausbalancieren.
Im Vergleich zu den bisherigen Lösungen umfasst das Gesamtkonzept nicht nur noch mehr Möglichkeiten der Inspektion, sondern auch eine weitgehend automatisierte Fehlersuche.
