Fliegend Fehler finden

Wie ein kleines Ufo erscheint die Flugdrohne knapp über dem Dachfirst der Scheune. Acht Rotoren brummen und sorgen für kraftvollen Auftrieb. Jetzt hat sie ihre Position gefunden, bleibt still in der Luft stehen, schwenkt das schwarze Kameraauge nach unten und dreht sich dann ein wenig um die eigene Achse. Der Hof liegt wie ausgestorben, während die Drohne thermische Anomalien erfasst.

Die Bewohner dieses Gehöfts müssen sich zum Glück nicht vor außerirdischen Laserstrahlen oder militärischer Spionage fürchten, sie wollen einfach vermeiden, dass ihnen der Tragschrauber auf den Kopf fällt, den Peter Icken mit seiner Fernsteuerung lenkt. Er macht Thermografieaufnahmen von der Photovoltaikdachanlage, schnell und ohne viel Aufwand mit einem sogenannten Minikopter. So spart er sich den Aufbau eines Gerüsts oder eine Hebebühne und kann einen optimalen Winkel zu den Modulen einnehmen. Das Sucherbild der Thermografiekamera wird auf das Display seiner Fernsteuerung übertragen, mit der er den Tragschrauber präzise positioniert und auch mal dichter an thermische Auffälligkeiten heransteuert. Es gibt nur wenige Thermografen, die bislang Infrarotaufnahmen mit Luftunterstützung machen, denn die Kameras sind schwer und teuer. Minihelikopter mit dieser Fracht sind sehr schwierig zu steuern und von Absturz bedroht. „Üben, üben, üben“, entgegnet Peter Icken darauf, der seit einem Jahr für Arntjen Solar rund um Oldenburg fliegt. Mit der Hebebühne sei die Thermografie sehr aufwändig und dadurch teuer gewesen. Das Abfliegen könnten sich nun auch Besitzer von kleineren Anlagen leisten.Bis 30 Kilowatt kostet der Qualitätscheck von Arntjen Solar 350 Euro. Doch das ist noch nicht mal die preisliche Untergrenze. Ganz im Süden bei Pocking hat Gunter Huber von nbay-energie seine Basis. Er fliegt – sogar mit einem echten Helikopter und einer Thermografin an Bord – schon ab 280 Euro. Auf der anderen Seite der Skala hat sich Meteocontrol eingerichtet. Daniel Faltermeier und sein vierköpfiges Flugteam betreuen die richtig großen Solarparks. Der Einsatz des Teams lohne sich ab 20 Megawatt, sagt er. Die Kosten dafür liegen dann mindestens bei 20.000 Euro.

Für Infrarotaufnahmen von einer Photovoltaikanlage gibt es viele Gründe. So werden Thermografen gerufen, wenn die Leistung der Anlage nicht stimmt. Sei es, dass sie nicht die erwartete Ausbeute liefert oder dass es einen Leistungsabfall gegeben hat. In diesen Fällen werden die Gutachter meistens fündig. Die Mängel sind dann häufig gravierend und treten im Wärmebild deutlich zu Tage. „Einmal war ein ganzer String falsch gepolt und ein anderer komplett ausgefallen“, berichtet Icken.

Check vor Garantieende

Viele Betreiber lassen ihre Anlagen auch vor Ablauf der Garantie prüfen. Bei fremdfinanzierten Projekten gehöre das beispielsweise zu den Forderungen der Banken, erklärt Faltermeier. „Heiße Module senken die Leistung des gesamten Strangs. Wenn ich dadurch einen Leistungsabfall von drei Prozent habe, mache ich Verlust, ohne dass ich das reklamieren könnte. Man sollte also darauf achten, dass man erst einmal einen fehlerfreien Park hat.“ Einen weiteren wichtigen Grund führt Gunter Huber an. Da der Preiskampf unter Solarversicherern sehr hart sei, würden Schadensfälle so weit als möglich abgeblockt. „Ein Kunde von mir hatte einen Überspannungsschaden, weil in der Nähe ein Blitz eingeschlagen war. Die Versicherung wollte aber den Nachweis, dass der Schaden nicht schon von Anfang an bestand, zum Beispiel aus der Produktion, durch Mikrocracks oder kalte Lötstellen, die sich erst jetzt auswirkten. Wie soll man denn das bitteschön nachweisen? Gut, dass wir kurz vorher mal darübergeflogen waren.“ Ein beweissicheres Vorher-Nachher-Bild sei für den Kunden eine preiswerte Möglichkeit, Rechtsstreitigkeiten oder Laborgutachten zu vermeiden. Die Baywa, ein Agrar- und Bauunternehmen mit großem Solarzweig, lasse inzwischen alle installierten Anlagen nach der Fertigstellung von nbay-energie thermografieren, verrät Gunter Huber. Denn dem Endkunden gebe die Firma zwei Jahre Garantie, während ihr selbst nur ein halbes Jahr eingeräumt werde. Auch hier dient die Thermografie der Abgrenzung von Regressforderungen.

Kriterien für Modultausch

Dass die Thermografie eine schnelle, einfache und verlässliche Technik ist, um Problemstellen einer Solaranlage zu finden, ist inzwischen sogar wissenschaftlich belegt. So hat das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung gemeinsam mit BEC Engineering 15 Dachanlagen im Betrieb thermografiert, um sie anschließend abzubauen und im Labor zu analysieren (siehe Kasten Seite 105). Dabei wurde nachgewiesen, dass die Infrarotmessung alle beeinträchtigten Module erkannt hatte. Voraussetzung ist, dass die Aufnahme von einem erfahrenen Thermografen gemacht wird, der die Ergebnisse anhand der örtlichen Gegebenheiten beurteilt und dabei Fehlerquellen durch Schattenwürfe und Reflexionen vermeidet.

Zusätzlich zur Diagnose anhand der typischen Fehlerbilder versuchen die Forscher um Claudia Buerhop-Lutz nun, den einzelnen Defekten Temperaturdifferenzen zuzuordnen. So zeigten sich kurzgeschlossene Zellen durchschnittlich 1,2 Grad heißer als ihre Umgebung. Schlechte Lötstellen können auf speziellen, nicht durchgängigen Grids 12,5 Grad heißer sein. Bei normalem Zellaufbau des Moduls fallen sie dagegen oft mit weniger als einem Grad ins Gewicht. Wenn sich diese Erkenntnisse noch weiter verdichten, ist die Diagnose eines Moduls vielleicht künftig schon nach der Infrarotaufnahme abgeschlossen.

Bisher empfehlen die Thermografen die auffälligen Module dem jeweiligen Installateur zur weiteren Beurteilung. Wenn das, wie bei großen Solarparks, zu aufwändig ist, lassen sich die Lieferanten auch auf pauschale Absprachen ein. „Unser Vorschlag ist, dass es einen Modultausch ab einer Differenz von zehn Grad gibt. Das wird von den meisten Modulherstellern auch akzeptiert“, sagt Faltermeier von Meteocontrol. Eine thermische Auffälligkeit schlägt sich aber nicht immer sofort in der Leistungsmessung nieder. Zellbrüche können zu Beginn wenig Probleme machen, im Laufe der Jahre aber schlimmer werden. Deshalb werden kleinere Fehler zur Beobachtung vorgemerkt. In Buerhops Untersuchung traten bei Zellbrüchen Überhitzungen von 2,5 bis 45 Grad auf. „Man kann den Umtausch nicht von einem bestimmten Temperatursprung abhängig machen“, gibt sie zu bedenken. Es komme immer auf die Art des Fehlers und die Messbedingungen an.

Die Wissenschaftler vom ZAE Bayern haben ebenfalls schon den Einsatz eines Minikopters getestet und können die Vorteile und seine Verlässlichkeit bestätigen. „Ich kann mir die optimale Position suchen und habe nicht so viele Artefakte wie von der Hebebühne aus. Auf den Überblickfotos von weit oben und auf den Nahaufnahmen haben wir immer die gleichen Fehler gesehen“, erklärt Buerhop.

Minikopter versus Hubschrauber

Somit stellt sich die Frage, für wen sich der Einsatz eines Helikopters in Klein oder Groß lohnt. Ohne Zweifel ist die Überprüfung einer gut zugänglichen und nicht zu großen Anlage zu Fuß oder im Auto per Rückseitenthermografie schnell erledigt. Die Nähe zum Objekt erlaubt eine einfache Markierung der gefundenen Module und die Aufnahme der Seriennummern für das Gutachten oder die spätere Reklamation. Für Schrägdächer, dicht am Boden montierte Module, schlecht befahrbare Untergründe oder sehr dicht stehende Reihen ist die Luftunterstützung eine echte Alternative.

Die Vorteile eines Minikopters sind seine günstige Anschaffung und die Möglichkeit, sehr dicht an Module heranzufliegen. Deshalb kann man ihn auch mit einer Kamera ausstatten, deren Auflösung geringer ist. Peter Icken arbeitet beispielsweise mit der sehr leichten und kompakten NEC F30, die eine Auflösung von 160 mal 120 Pixeln hat. Es ist nur ein Ein-Mann-Team nötig. Darüber hinaus ist der Thermograf vor Ort und könnte auch schnell noch einen Blick auf die Temperatur der Wechselrichter werfen. Zu den Nachteilen gehört, dass der Minikopter nicht über Menschen fliegen darf. Er hat nur eine Akkulaufzeit von bis zu zehn Minuten. Wer in dieser Zeit gute Aufnahmen machen will, benötigt viel Übung. Da die Infrarotbilder auf ein kleines Display übertragen werden, empfiehlt es sich, alle Module aufzunehmen und nicht nur die, die fehlerhaft erscheinen. Die Aufnahmen müssen dann im Büro noch nachbearbeitet und der Temperaturbereich nachjustiert sowie mit den exakten Modulpositionen abgeglichen werden. Damit ist die Größe der zu prüfenden Solaranlagen nach oben klar begrenzt. Zum einen durch die Akkulaufzeit, selbst wenn mehrere Wechselakkus bereitstehen, zum anderen durch die Anzahl der Bilder, die man von Hand nachbearbeiten muss.

Gunter Huber und Daniel Faltermeier haben sich wegen dieser Nachteile bewusst für den Hubschrauber entschieden. „Ich fliege die Drohne nur durch ein winziges Display, da dauert die Ausrichtung doch viel zu lange“, meint Huber. Sein Flugteam besteht aus drei Personen, der Thermografin, die die Kamera im Flug aus der offenen Tür hält, dem Piloten und ihm selbst. Huber ist für die ausgeklügelte Organisation des Flugs zuständig. „Mir kommt meine persönliche Solaranlagendatenbank zugute. Wenn ich von Punkt A zu Punkt B fliege, schreibe ich die Anlagen dazwischen direkt an und bekomme viele Aufträge.“ Mit seiner Flir P660 (Auflösung 640 mal 480 Pixel) fliegt er meist auf etwa 80 Meter an die Module heran und macht ein aussagekräftiges Bild. Nur bei großen Anlagen über 100 Kilowatt seien mehr Bilder notwendig, weil die Ränder sonst nicht mehr den richtigen Winkel haben. Damit das Foto beweiskräftig ist, müsse auch etwas Umgebung mit drauf sein, betont Huber, andernfalls könnte ein Richter die Echtheit bezweifeln. Deshalb wird auch immer ein Digitalfoto aus dem gleichen Blickwinkel geschossen.

Wiedererkennung wichtig

Bei sehr großen Solarparks wird die Wiedererkennung des einzelnen Moduls ein echtes Problem. Huber behilft sich, indem er aus den Einzelbildern ein großes, zusammenhängendes Bild komponiert. Doch bei Anlagen über zwei Megawatt müsse der Betreiber mithelfen. Zur Orientierung schlägt er Stangen mit Nummern in den Boden und teilt den Park in Quadranten ein.

Eine kuriose Lösung für das Markierungsproblem fand anfänglich Meteocontrol. Das Team im Helikopter, bestehend aus dem Piloten und drei Ingenieuren, nimmt stets nur defekte Module auf, da die Datenmenge in den gewaltigen Megawattparks sonst viel zu groß wäre. Anschließend lehnte sich einer von ihnen aus der Tür und beschoss das Modul mit einem Paintballgewehr. Die Trefferquote war wohl hoch, doch ein kurzer Regenschauer konnte die Arbeit schnell vernichten. Nun werden die gefundenen und identifizierten Fehler während des Fluges mit Hilfe eines hochpräzisen GPS-Systems markiert. Die Projektingenieure erhalten die Bilder direkt auf einen Tablet-PC. Dort wird die Position des Moduls erfasst und mit Kommentaren versehen. Das Tempo dieser Methode ist hoch. Nach vier bis fünf Stunden ist die Untersuchung eines 20-Megawatt-Parks abgeschlossen. „Wenn man 100 Prozent der thermografischen Überprüfung vom Boden aus machen würde,kostet das ähnlich viel wie vom Helikopter, weil es viel länger dauert“, erläutert Faltermeier. „Sie brauchen Bedingungen von über 600 Watt Einstrahlung, besser von 700 Watt, keinen Regen, höchstens kleine Wolken. Das klappt in Deutschland selten an mehreren Tagen hintereinander.“ Das Team sei inzwischen so eingespielt, dass sich sogar der gemeinsame Flug nach Spanien oder Italien rentieren würde. „Wir wollen unseren Service jedenfalls europaweit anbieten.“ Die hohen Kosten und ein eingespieltes Team sind gleichzeitig die größten Hürden beim Einstieg in die Hubschrauber-Thermografie. Der Pilot muss oft stundenlang in voller Konzentration Reihe um Reihe abfliegen, stoppen und weiter, stoppen und weiter. „Das ist ein Knochenjob“, sagt Faltermeier. Dazu muss der Thermograf frei von Flug- und Höhenangst sein sowie Wind und Kälte ertragen. Denn die Kamera kann nicht außen am Hubschrauber befestigt werden. Dafür sind die Vibrationen zu stark. Wer so ein Team hat und auch die hohen Kosten bewältigt, dem steht ein großer Markt offen. Die Nachfrage für den schnellen Check aus der Luft ist groß.

Das einzige Thema, bei dem die fliegenden Thermografen Bauchschmerzen haben, heißt Dünnschicht. Die einhellige Meinung ist: Ja, man kann etwas sehen, etwa Glasbrüche oder heiße Dioden, aber nein, es ist dennoch nicht zu empfehlen, weil die Auffälligkeiten selten und nicht so gut sichtbar sind wie bei kristallinen Zellen.

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Fehler finden und identifizieren

Die Journalisten vom öffentlich-rechtlichen Fernsehen wollten wissen, wie viele Fehler sie findet. Doch diese Frage mag Claudia Buerhop-Lutz gar nicht. Denn wie viele sie findet, hängt ja davon ab, ob sie von den Betreibern bei Problemen mit ihrer Anlage gerufen wird. Der Wissenschaftlerin vom ZAE Bayern geht es vor allem darum, dass sie bei einer Anlage alle Fehler findet und diese möglichst genau beschreiben kann.

Dass das mit Thermografie geht, hat sie in einem Beitrag auf der EU PVSEC letzten September gezeigt (Quality Control of PV modules in the field using infrared thermography, Claudia Buerhop, Dominik Schlegel, Christian Vodermayer, Monika Nieß, EU PVSEC 2011). Sie hat mit einer Hebebühne eine Dachanlage erst thermografiert und dann vollständig demontiert. Die 156 Module transportierte sie ins Labor, um bei allen die Leistung zu bestimmen. „Wir haben alle nachgemessen und alle, die in der Thermografie auffällig waren, waren auch im Labor defekt. Es waren auch keine weiteren Zellen dabei, die uns bei der Thermografie durch die Lappen gegangen sind“, sagt sie (siehe Grafik Thermografie und Leistungsmessung im Vergleich). Das Kriterium war, dass die Leistung mehr als zehn Prozent unter der Nennleistung liegt. Das Ergebnis zeigt: Mit Thermografie lassen sich die Fehler dafür genau genug bestimmen.

Allerdings geht das umso genauer, je besser es gelingt, mit der Thermografie nicht nur Erwärmungen zu detektieren, sondern auch die Art des Fehlers, der sie verursacht. Dazu hat sie mit ihren Mitarbeitern untersucht, wie hoch die Erwärmung bei bestimmten Schäden ist:

Überbrückter Substring: Wenn eine Bypass-Diode die Zellen eines Substrings kurzschließt, steigt die Temperatur im Vergleich zu anderen Zellen in der Nachbarschaft um 4±2 Grad.

Zellbruch: Das ist der Fehler, den Claudia Buerhop-Lutz am häufigsten gefunden hat. Die Temperatur stieg dabei um 2 bis 45 Grad, abhängig von der Zahl der betroffenen Zellen und der Größe der Zellfragmente.

Kurzgeschlossene Zellen: Bei ihnen steigt die Temperatur um 1,2±0,4 Grad. Durch diesen Fehler verschiebt sich die Spannung im optimalen Arbeitspunkt. Dadurch sank beim betroffenen Modultyp die Ausgangsleistung um 2,8 Watt pro geschädigter Zelle.

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