2017年3月18日 星期六

太陽能電站IR熱影像空拍


太陽能電站IR熱影像空拍

使用紅外線熱影像空拍太陽能電站是個熱門議題,尤其在歐洲已經逐漸成為電站驗收與維運的標準測試項目。因應這個趨勢,IEC也正在草擬熱影像檢測標準IEC62446-3,可見太陽能熱影像檢測已成為系統品質管控的必要測試。提供熱影像空拍的服務的顧問公司很多,例如2011年就開始開發熱影像空拍設備並提供服務的顧問公司Kitawa,太陽能驗證權威德國因TUV,對ELIR都頗有研究的太陽能顧問公司Fladung,連食安風暴時大出風頭的SGS也在做太陽能IR檢測。
台灣起步較慢,去年才開始有第一個IRUAV團隊提供熱影像空拍,接著PV Guider、工研院量測中心與德國萊因也都陸續開始提供熱影像空拍的服務。為什麼這個測試這麼受歡迎?到底熱影像能看到什麼問題?


從直昇機到無人機
很早就有人想到用紅外線攝影機做太陽能電站檢測,但是在地面拍攝時人的高度不夠,無法對著模組正面拍攝(偏斜拍攝誤差很大,後面會說明),而且大電站用人工拍攝需要很長時間。因此有人想到用直昇機空拍,當時人要在直昇機上用手持式紅外線(IR)攝影機拍攝(如下圖)。從照片可以看到直昇機飛得很低,人也要開著艙門拍攝,風險高之外成本也很高。

隨著無人機與IR攝影機的進步,現在大家都用無人機來拍攝,風險低成本低,拍攝效果也更好。才不過幾年的時間,當初在直昇機上拍攝是個酷炫的點子,現在跟無人機比起來竟顯得有點蠢。下圖是IRUAV的無人機拍攝電站的畫面,是不是輕便很多?



IR檢測什麼?
IR檢測是用紅外線攝影機擷取物體所發出的紅外輻射,然後由紅外輻射強度可以計算出每個位置的溫度。因此IR檢測主要就是檢查是否有溫度異常的現象,由溫度異常的狀態也可以推估各種太陽能系統的缺陷。以下舉幾個我們在IR檢測的經驗中,常見的缺陷案例。

1. 熱斑 Hot Spot
廣義的熱斑是指模組內有局部高溫,該位置溫度遠高於其他位置(如下圖)。但是造成熱斑的原因很多,有些是「先天」的模組品質問題,有些是「後天」的安裝、維護造成的問題。要釐清問題,通常還需要借助其他工具做進一步檢測,例如用EL才能看到裂紋或更細的問題。

熱斑

以下列舉幾種熱斑的例子給大家參考:
(1)短路熱斑:模組內有局部短路(如下圖)或有水滲入導致漏電,造成局部溫度上升。這張照片是已經發展到燒焦之後的情況,但是其實在這之前可能就已經存在微漏電造成的高溫,只是沒有用熱影像看不出問題,通常要到燒焦或玻璃破了人們才會發現問題。
這種局部短路的問題如果是模組出廠就有,電站驗收時用IR檢測可以找出。如果是後來才因為水滲入而短路,則要到定期維護檢測時才會發現。
短路燒焦

(2)電池片熱斑:一般電池片的正面為負極,背面為正極,正負極之間僅隔著薄薄的電池片。如果正負極之間有絕緣不良的情況,就會導致正負極之間短路,而發生局部高溫(如下圖)。長期沒有發現的話,高溫會逐漸燒壞封裝材與背板(如下圖),進一步造成漏電問題。
這種缺陷通常是電池片的問題,少部份是串焊製程造成,在模組出廠時就存在於模組內,電站驗收時用IR檢測可以找出。
電池片熱斑

背板因熱斑燒穿

(3)電池片壞死區域造成熱斑:電池片隱裂會造成電流無法通過,嚴重時會形成壞死區域(下圖黑色部份)。當電池片裡面有壞死區域,電流就會集中到沒有壞死的區域,導致溫度高於其他電池片。

電池片壞死區域

這種電池片壞死區域造成的高溫經過一段時間會逐漸使封裝材黃化,甚至燒穿背板(如下圖),進一步造成漏電問題。

電池片隱裂的原因比較複雜,有可能模組出廠的時候就有,也可能在運輸過程發生,也常見在安裝時踩踏造成,或者維運清洗時造成。如果安裝多年後才發現,通常難以判斷發生的原因。因為單純隱裂沒有造成壞死區域的話,不會發生高溫熱班,用IR檢測也看不到。等到隱裂逐漸成長造成壞死區域,才會開始有高溫現象出現。為了確認問題責任歸屬,最好在模組上架安裝前做一次EL抽測,安裝完成後驗收時對系統再做串列檢測,如此可以看到是否有初始隱裂存在,並且留下紀錄方便未來釐清責任。

壞死區域造成EVA黃化與背板燒穿

順帶一提,這種電池片壞死區域會啟動接線盒裡的旁路二極體,讓其他串電池所發的電由旁路二極體通過,減少對這片隱裂電池片的傷害。這個機制是要保護模組不會因為熱斑現象而立即燒毀,但是有個副作用是旁路二極體通過電流時也會發熱,導致接線盒高溫。下圖熱影像照片裡就可以看到接線盒溫度特別高,那就是旁路二極體發熱的結果。如果這個現象長期不處理,有可能會導致旁路二極體燒毀,接著連接線盒跟模組一起燒毀(如下圖)。因此要早期發現盡快處理,以免造成更大的損失。
熱班造成的接線盒高溫

接線盒二極體燒毀

(4)遮陰造成的熱斑:鳥糞、樹葉等異物遮擋也會造成熱斑現象(如下動畫圖),發生的機制類似上面的壞死區域造成熱斑,也會引發旁路二極體啟動,造成二極體與接線盒的高溫。所幸異物遮蔽造成的熱斑很容易排除,把模組清潔乾淨就恢復正常了。重點是要早期發現,儘快處理,才能減少發電損失,也避免接線盒燒壞。

異物遮蔽造成的熱斑(GIF照片動畫)


2. 旁路二極體短路造成模組高溫
旁路二極體可能因為先天缺陷,或如前述長期處於高溫下,而發生損壞。通常損壞後會變成短路,導致模組裡的電池串自己形成一個迴路乾燒,從IR熱影像照片也可以看到這種缺陷(如下圖)。發生時整串電池片溫度都會上升,因此可以看到大面積的異常高溫。

旁路二極體短路造成的高溫

3. 模組開路的高溫
另外一個IR檢測中常見的「有趣」現象,是整串模組溫度都高於其他串列(如下圖)。這是因為模組在開路狀態下溫度比較高,所以由熱影像可以看到沒有併接入電網的模組串列溫度偏高。問題是為什麼會有模組沒有併接?常常是因為施工過程中線路沒有整理好,施工人員漏接了部份串列。我們經常發現系統裝了兩三年,整串模組都沒有併網把電賣出去,直到我們檢測才發現。這對投資者來說一點都不「有趣」,這串模組等於白裝了,而且誇張的是這種情況還蠻常見,不是單一個案。提醒投資者不能只看到電費單上有進帳就滿足了,小心實際上少賺了很多而不自知。

模組沒有接線送電


IR檢測可以看到的缺陷還有很多,限於篇幅無法一一介紹。重點是所有缺陷都要及早發現,儘快排除,除了避免損失增加發電收入,更重要的是避免造成火災等更大的損失。

最後我們比較一下手持IR檢測與空拍的差異。下圖是一個人用手持式IR攝影機拍攝,因為人的高度無法從模組正面拍攝,導致拍攝模組上方的視角偏差很大,而模組下方則比較接近正面垂直拍攝。

手持IR攝影機拍攝

拍攝的結果如下圖。紅外線影像在模組上半部以反射熱輻射為主,模組下方的熱影像才是真正模組溫度。由此可以看到角度偏差會對拍攝結果造成很大的影響,因此手持拍攝時要特別注意拍攝角度盡量接近模組正面。用空拍機從空中拍攝則沒有這個問題,可以從模組正面拍攝,而且拍攝速度比從地面拍快很多,500kW電站只要半個多小時就可以拍完,省了不少人力。

手持拍攝熱影像結果

總結
太陽能IR熱影像空拍已逐漸成為電站檢測的必要項目,因為IR檢測可以找到很多肉眼看不到的問題,而且檢測成本不高,算是CP值很高的檢測項目。不只國外將IR檢測列為標準測試,國內能源局與標準檢驗局正在規劃中的系統檢測驗證也將納入,對於電站品質提昇有很大幫助,是投資者的一大福音。


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關於作者:
林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發,是國內最早開始研究太陽能的專家之一
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:
PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家


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