Bachelorarbeit: Qualitätsoptimierung Solarkraftwerk mit Kombination von LED-Flasher und IR-Drohne
So bleibt Solarstromgewinnung effizient
Der Unterhalt von Solarkraftwerken ist wegen ihrer riesigen Flächen aufwendig und teuer. Der an der ZHAW School of Engineering entwickelte LED-Flasher kann diesen Prozess wirtschaftlicher machen. Die Absolventen Eddie Staib und Oliver Stucki haben das Messsystem weiter optimiert.
Solarkraftwerke bestehen aus hunderten bis tausenden Solarmodulen. Damit diese wirtschaftlich betrieben werden können, müssen fehlerhafte Solarmodule schnell und kostengünstig ausfindig gemacht und gewartet werden. Dazu wurde am ZHAW-Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) der LED-Flasher entwickelt. Der LED-Flasher ist ein Messsystem, das als künstliche Lichtquelle auf montierte Solarmodule gelegt wird. Tausende LEDs beleuchten das Modul und Sensoren messen die elektrische Leistung. Die Absolventen Eddie Staib und Oliver Stucki haben das Messsystem in ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Energie- und Umwelttechnik optimiert. Zusätzlich kombinierten sie das Messsystem mit einer Kamera-Drohne für Infrarot-Aufnahmen (IR).
Vier Sensoren für höhere Messgenauigkeit
Die Messungen mit dem LED-Flasher finden im Feld statt – unter realen Wettereinflüssen. Die gewonnenen Daten werden mit einem Datenblatt verglichen, dessen Werte nicht im Feld, sondern unter Standard-Testbedingungen bei stets gleichen Temperaturen ermittelt wurden. Da die erzeugte elektrische Leistung von der jeweiligen Zelltemperatur im Solarmodul abhängt, hat die Genauigkeit der Temperaturmessung einen grossen Einfluss auf die Messgenauigkeit der Nennleistung. Hier setzten die Absolventen an. Sie erhöhten die Anzahl der IR-Sensoren zur Temperaturmessung und optimierten Auswertung und Analyse. «Als optimal erwiesen sich vier IR-Sensoren, um die Temperatur des Moduls zu erfassen und so die Messgenauigkeit zu erhöhen» sagt Eddie Staib. «Zusätzlich noch mehr IR-Sensoren einzusetzen bringt jedoch keine relevante Steigerung der Genauigkeit und ist daher auch aus ökonomischer Sicht nicht sinnvoll.»
«Die von der Drohne aufgenommene Wärmeabstrahlung liefert Hinweise, welche Solarmodule kritisch sind.»
Eddie Staib
Nur zwei Messungen notwendig
Solarmodule sind mit drei Bypassdioden ausgestattet, die gewährleisten, dass defekte Solarzellen oder Teilbeschattungen den Stromfluss nicht blockieren. Sie stellen sozusagen eine Umleitung um den ausfallenden Zellstrang dar. Auch diese Bypassdioden müssen auf ihre Funktionstüchtigkeit hin untersucht werden. Dazu simuliert der LED-Flasher Teilabschattungen, indem die LEDs unterschiedlich hell leuchten. «Um alle Bypassdioden zu prüfen, müssen zwei Teilmessungen durchgeführt werden, da die Bypassdiode des mit der höchsten Beleuchtungsstärke beleuchteten Stranges nicht aktiviert wird», erklärt Oliver Stucki «In der zweiten Messung wird der zuvor am stärksten beleuchte Strang am wenigsten beleuchtet.» Um diese Bypassdiodenprüfung auszuwerten, haben die Absolventen eigens einen Algorithmus entwickelt.
Voruntersuchung mit IR-Drohne
Der LED-Flasher ist ein hilfreiches Instrument, um innert kurzer Zeit die Funktionsfähigkeit einer grossen Anzahl von Solarmodulen zu überprüfen. «Es ist allerdings wenig wirtschaftlich, wenn alle Solarmodule auf Verdacht überprüft werden», sagt Oliver Stucki. Daher haben die Absolventen in ihrer Abschlussarbeit den LED-Flasher mit einer IR-Drohne kombiniert. Die Infrarot-Strahlung liefert Bilder, wie sie von Wärmebildkameras bekannt sind. «Die von der Drohne aufgenommene Wärmeabstrahlung der Solarmodule wird analysiert und liefert Hinweise darauf, welche Module sogleich mit dem LED-Flasher untersucht werden müssen», sagt Eddie Staib. Das spart Aufwand und Kosten. Getestet haben die beiden Absolventen den optimierten LED-Flasher bereits erfolgreich in einer Feldmessung bei einem grossen Energieversorger.
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