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太陽能系統檢測工具(上)


太陽能系統檢測工具(上) 


太陽能系統發電不良時,有什麼工具可以幫忙診斷?

系統完工驗收時,用什麼工具做檢測?

颱風過後怎麼檢查系統有沒有受損?

這份研究報告就是要解決上述的幾個問題,介紹了目前常用的移動式系統檢測工具,以及正在開發中的未來技術。

 

IEA PVPS Task 13研究報告

本文是一系列國際能源總署Task 13研究報告的導讀之一,關於IEA PVPS Task 13的介紹,以及本期計畫所有報告的列表,請參考以下網址。

報告總覽http://solar543.blogspot.com/2021/03/pvps-task13.html

不過這些報告動輒八九十頁,無法在此完整介紹,因此以摘要導讀的形式,讓大家了解這些報告有哪些內容,對這個題目有興趣的人可以自行下載完整報告研讀。

 

太陽能系統移動式檢測設備

本文要介紹的報告是Qualification of Photovoltaic (PV) Power Plants using Mobile Test Equipment,中文直譯為「使用移動式測試設備評估太陽能電站」,可以在以下連結下載:

https://iea-pvps.org/key-topics/qualification-of-pv-power-plants-using-mobile-test-equipment/

傑博也是本報告的作者之一,PV Guider對其中一些檢測設備與方法有相當豐富的經驗,所以會增加一些報告內容之外的特別補充說明。對於每一種檢測技術,本報告不只介紹技術原理,還有提供Best Practice(最佳實施例)、設備成本、檢測人力與速度、檢測誤差來源等資訊,非常的實用。撰寫報告時不禁感嘆,如果當初我們自己開發檢測技術時,有人也提供這麼有用的資訊就好了,可以直接增加十年的功力。

以下逐一介紹報告裡提及的檢測技術。由於篇幅太長,分為上下兩篇,下集請見以下連結:

http://solar543.blogspot.com/2021/08/mobileinspectiontools2.html

 

以無人機進行模組陣列ELIR檢測

熱影像IR檢測越來越普及,之前也做過介紹,可以點以下連結看詳細介紹:

太陽能電站IR熱影像空拍 http://solar543.blogspot.com/2017/03/irinspection.html

EL檢測是不同於熱影像的檢測方法,可以看到更多缺陷的細節,更容易判斷缺陷問題的根源。關於EL檢測的詳細介紹可以看以下這篇:

EL檢測技術介紹http://solar543.blogspot.com/2021/05/EL.html

EL空拍則是一個新領域,因為拍攝ELIR難度高很多,所以目前全球能做到的團隊不多。首先EL要在黑暗中拍攝,因此必須夜間飛行,除了飛行技術要求較高,申請飛行許可的門檻也比較高。第二個困難在於拍攝EL時需要對模組串列通電,而且必須快速切換串列才能配合空拍機的拍攝。第三個困難在於相機,因為EL檢測要拍攝的不是一般可見光,所以需要特殊感光元件才能做到。而空拍機在移動中拍攝,本身又有旋翼振動,所以曝光時間必須壓縮到很低。但是模組在EL檢測中發出的光很微弱,如果曝光時間太低也無法拍到滿意的影響。綜合「距離x不可見光x移動中x弱光」四大難題,要找到可用的相機非常不容易。

順帶一提,PV Guider團隊經過長時間努力,已經完成EL空拍的軟硬體建置,可以快速大量拍攝電站的EL影像,成本也可以比以往人工拍攝更有優勢。以下是用無人機遠距離空拍EL的成果。

PV GuiderEL空拍影像


 

日間EL檢測

一般EL必須在夜間檢測,工作上比較不方便,因此有人開發出日間檢測的EL技術。這個測試使用EL lock-in技術來達到白天拍攝,名字很有學問但是原理說來簡單,就是在日照下拍攝有電流跟沒電流通過的模組照片,再把兩個影像訊號相減,就會得出有電流通過的EL影像。說起來簡單,但是做起來不容易,設備成本更是非常高貴,導致檢測成本較高。因此通常是夜間無法拍攝的案場比較會考慮使用。

日間拍攝EL


 

UVF影像檢測

UVF影像檢測是對模組照射UV光,然後用特殊相機拍攝模組的螢光反應。詳細介紹請見以下連結:

UVF檢測技術介紹http://solar543.blogspot.com/2021/06/UVF.html

這個技術可以檢測電池片隱裂跟熱斑,特定情況下還可以判定隱裂發生的時間,而且是非接觸式的檢測,本來是很有潛力的一種測試,可惜近年模組封裝材有比較大的變革,新的材料螢光反應很弱,導致UVF檢測無法適用。但是對於早期的模組(大約2015年之前生產),還是很好的檢測工具。PV Guider是全球首位成功開發UVF空拍技術的團隊,也因此受邀參與Task 13報告撰寫,還將技術轉移給歐洲的檢測公司。

 


日光下模組串列IV曲線量測

在DC箱量測IV曲線


IV曲線量測通常是在DC接線箱進行(如上圖),透過儀器掃描擷取電壓電流關係曲線。當模組有缺陷時,IV曲線會有一些變化,而不同的缺陷種類會有不同的曲線變化,因此透過IV曲線的特徵,可以診斷模組串列的故障原因。以下圖為例,紅色曲線是正常的IV曲線,藍色曲線是有缺陷問題的曲線,缺陷可能導致曲線階梯狀或頭尾斜率變化,這些都可以作為診斷的依據。本報告列舉了各種IV曲線形狀所對應的故障問題,對於IV曲線的解讀很有幫助。不過有些缺陷問題是複合的,較複雜的形狀就需要有經驗的專業人士來判讀。

正常與缺陷的IV 曲線示意圖


串列IV曲線量測是很好的工具,不過有個麻煩就是它只能診斷出整串模組可能有什麼問題,但是沒辦法判斷是哪一片模組有問題。因此診斷後還需要其他工具或方法來找出缺陷的模組,例如用EL檢測找出故障模組是哪一片,才能進行更換或維修。

 


模組串列暗IV曲線量測

相較於上一節的日光下IV曲線量測,本節介紹的是黑暗中的IV曲線量測。測試是在黑暗中對模組通逆向電流,然後量測暗IV曲線。類似的是,不同的模組缺陷會導致不同的IV曲線形狀,所以透過IV曲線分析可以判斷模組可能有什麼問題。

下表比較暗IV曲線在模組串列量測與單片模組量測時,可以診斷的故障種類。不過整體來說,因為暗IV曲線能看到的缺陷種類不多,在黑暗中測試又比較不方便,因此較少被業界採用,可能比較適合研究分析使用。

Dark IV曲線可診斷的問題

 

還有更多檢測方法的介紹在下集,請見以下連結:

http://solar543.blogspot.com/2021/08/mobileinspectiontools2.html


延伸閱讀:

-             UVF檢測技術介紹

-             EL檢測技術介紹

-             太陽能電站IR熱影像空拍

-             PID-電位差導致衰退

-             隱裂的成因與對策

-             什麼是蝸牛紋?

   

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

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

IEA國際能源總署Task 13太陽能可靠度工作組技術專家

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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