التصوير الحراري لأنظمة الطاقة الكهروضوئية PV Thermal Imaging

يحرص مالكي ومطوري أنظمة الطاقة الكهروضوئية على الاستفادة القصوى من إنتاجية المحطات التي يملكونها ويعملون على تشغيلها وصيانتها.

استخدام التصوير الحراري في أنظمة الطاقة الكهروضوئية يمكّن من تحديد الالواح والخلايا التي يوجد فيها مشاكل في التشغيل، وخلافاً لمعظم طرق الفحص الأخرى; التصوير الحراري لا يتطلب فصل النظام او اي جزء منه، حيث يمكن إجراء الفحص أثناء ظروف التشغيل الاعتيادية. إضافة إلى ذلك يمكن إجراء الفحص الحراري لمحطات كبيرة ومساحات شاسعة من الألواح خلال وقت قصير مقارنة مع طرق الفحص الأخرى.

1. فوائد التصوير الحراري لأنظمة الطاقة الكهروضوئية

 

* ضمان جودة تركيب الألواح الكهروضوئية:
يتم توريد الألواح الكهروضوئية من مصادر مختلفة وتختلف الجودة باختلاف الشركة المصنعّة للألواح، وتختلف الجودة ما بين دفعة وأخرى من الألواح لنفس المصنعّ. وقد تخرج الألواح من المصنع خالية من العيوب والمشاكل، ولكن يتم نقلها وشحنها بشكل غير سليم مما يؤدي إلى حدوث مشاكل وعيوب فيها.

جودة التركيب تعتمد أيضاً على مهارة واختصاص فريق التركيب المعيّن من قبل المقاول لكل مشروع. باختصار، التصوير الحراري يعتبر من أفضل الطرق للتأكد من أن ألواح المشروع التي تم تصنيعها ونقلها وشحنها وتركيبها خالية من العيوب. وتقرير التصوير الحراري بعد الانتهاء من عمليات تركيب أي مشروع يهدف إلى حماية كلاً من الطرفين، المالك والمقاول.

* تجنب خسائر الإنتاجية الكهربائية: 

غالباً ما يتم إعداد دراسات الجدوى الاقتصادية لمشاريع الطاقة الكهروضوئية بافتراض أن عمر المشروع قد يمتد إلى 20 أو 25 عاماً، ويتم أخذ التناقص التدريجي في إنتاجية الألواح بعين الاعتبار في هذا النوع من الدراسات. ولكن من الصعب بمكان التنبؤ بالمشاكل التي قد تحدث للألواح أثناء النقل والشحن والتركيب كما ذكرنا في النقطة السابقة بالتفصيل، أو المشاكل المختلفة التي قد تحدث للألواح أثناء فترة التشغيل والصيانة.

لذلك وللتأكد من كفاءة عمل المحطات وخلوها من العيوب، عادةً ما يتم إجراء التصوير الحراري للمحطات على فترات منتظمة; كل 6 أشهر أو سنة على سبيل المثال. وخصوصاً في المحطات الكبيرة (Utility Scale PV Systems) يعتبر هذا الفحص من الفحوصات الروتينية التي يقوم بها فريق الصيانة والتشغيل.

 

* تجنب وقوع الحرائق: 

التصوير الحراري في مشاريع الطاقة الكهروضوئية لا يقتصر على تصوير الألواح الكهروضوئية، حيث يتم تصوير باقي مكونات المشروع باستخدام الكاميرات الحرارية لاكتشاف وتحديد أي ارتفاع في درجات الحرارة في أي مكوّن من مكونات النظام. على سبيل المثال من خلال التصوير الحراري للوحات الكهربائية يمكن تحديد أي مشاكل في توصيلات الكوابل والتي قد تؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة او حدوث شرر كهربائي قد يكون سبباً في نشوب حريق.

صورة حرارية تبين ارتفاع درجة حرارة توصيل الكيبل الكهربائي مع اللوحة الكهربائية.

* تشخيص سريع للمشاكل: 

يعتبر التصوير الحراري من أدوات التشخيص والفحص السريع للمشاكل، كون الفحص لا يتطلب أي توصيلات كهربائية أو تلامس مباشر مع الأجهزة والمكونات المراد فحصها. ومعظم الكاميرات الحرارية الحديثة تعمل على حفظ صورتين; صورة حرارية وأخرى مرئية لتسهيل وتسريع تحديد مكان المشكلة في الصورة بدقة.

ومن الأمثلة على التشخص السريع للمشاكل، هي إكتشاف تعطل ديودات التجاوز (By-Pass Diodes) بدقة وبسرعة من خلال التصوير الحراري للألواح.

على اليسار صورة حرارية لمجموعة من القواطع، وعلى اليمين صورة مرئية لمجموعة القواطع ذاتها.

2. المشاكل التي يمكن تحديدها من خلال التصوير الحراري 

 

التصوير الحراري هدفه الأساسي تحديد الأماكن التي يوجد فيها درجات حرارة شاذة، أي وجود اختلاف واضح في درجات الحرارة ما بين منطقة وأخرى بنفس الخصائص. وفي الألواح الكهروضوئية يتم تسمية المناطق التي يوجد فيها ارتفاع في درجات الحرارة “النقاط الساخنة” (Hot Spots). ولكن من أين تأتي النقاط الساخنة؟

النقاط الساخنة قد تكون ببساطة بسبب وجود ظل على جزء من اللوح أو الخلية، أو بسبب وجود عطل/عطب في خلية داخل اللوح تؤدي إلى أن تصبح مستهلكة للطاقة بدلاً من أن تولد الطاقة.

وللتوضيح سوف نذكر بعض الأمثلة مع صور توضيحية لمشاكل يمكن تحديدها من خلال التصوير الحراري:

 

2.1. كسر في الزجاج:

غالباً ما تسبب الكسور في زجاج الألواح إلى كسور في الخلايا الكهروضوئية مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخلايا.

على اليمين صورة مرئية توضح وجود كسور في اللوح الكهروضوئي، وعلى اليسار صورة حرارية لنفس اللوح.

على اليمين صورة مرئية توضح وجود كسور في اللوح الكهروضوئي، وعلى اليسار صورة حرارية لنفس اللوح.

2.2. الظلال 

الظلال قد تكون إحدى أسباب ارتفاع درجة الحرارة التشغيلية للألواح، على سبيل المثال الظلال التي قد تسببها الأعشاب، الأشجار، براز العصافير أو غيرها من الأوساخ، المباني، الأعمدة، الكوابل الهوائية وغيرها. أدناه أمثلة على أثر الظلال على ارتفاع درجات الحرارة التشغيلية للألواح:

أثر ظلال الأعشاب على الألواح، وتسببها في نقاط ساخنة.

 

ارتفاع درجة حرارة الخلايا بسبب الظل الناتج عن عمود كهربائي

 

ارتفاع درجة حرارة الخلايا بسبب الظل الناتج كيبل ضغط متوسط

 

2.3. مشاكل داخلية في نفس الخلية

إحدى أسباب ارتفاع درجات حرارة الخلايا الكهروضوئية هي مشاكل وضعف في مرحلة التصنيع، على سبيل المثال فزر الخلايا غير الدقيق قد يؤدي إلى وضع خلية ذات كفاءة أقل مقارنة مع باقي الخلايا في نفس اللوح، تيار قصر داخلي في نفس الخلية أو توصيل كهربائي رديء داخل اللوح الكهروضوئي.

على اليسار صورة حرارية للوجه الأمامي للوح كهروضوئي وعلى اليمين صورة حرارية للوجه الخلفي لنفس اللوح يظهر ارتفاع درجة حرارة خلية بسبب خلل داخلي.

بقعة ساخنة بسبب خلل داخلي في نفس الخلية.

2.4. ارتفاع درجة حرارة ديودات التجاوز (By-Pass Diodes)

ارتفاع درجة حرارة صندوق التجميع (Junction Box) مقارنة مع صناديق التجميع في الألواح الأخرى، يعطي دلالة على ارتفاع درجة حرارة ديودات التجاوز (By-Pass Diodes) داخل صندوق التجميع.

تستخدم ديدودات التجاوز (By-Pass Diodes) في الألواح الكهروضوئية لتخفيف الأثر الناتج عن البقع الساخنة والظلال، حيث يتم توصيله على التوازي مع سلسلة من الخلايا داخل اللوح الكهروضوئي. في ظروف التشغيل الطبيعية تكون ديودات التجاوز (By-Pass Diodes) في وضع الانحياز العكسي (Reverse Biased) أي انها غير فعالة. ولكن إن كان هناك عدم تماثل بين الخلايا أو ظل جزئي يؤثر على سلسلة من الخلايا داخل اللوح يصبح الديود في وضع الانحياز الأمامي (Forward Biased) أي يصبح فعالاً ويسمح للتيار بالمرور من خلاله وليس من خلال الخلية المتعرضة للظلال على سبيل المثال. بالتالي درجة حرارة الدايود عندما يكون فعالاً تكون أعلى من درجة حرارته عندما يكون غير فعال.

على اليسار لوح كهرضوئي ترتفع فيه درجة حرارة صندوق التجميع، وعلى اليمين صورة الوجه الخلفي لنفس اللوح يظهر فيه صندوق التجميع مفتوحاً ودايود التجاوز بدرجة حرارة مرتفعة

 

2.5. ارتفاع درجة حرارة التوصيلات في اللوحات الكهربائية 

تتضمن مشاريع الطاقة الكهروضوئية بأنواعها، الكبيرة والتي تستخدم غالباً عواكس مركزية (Central Inverters) والصغيرة التي تستخدم عواكس سلسلية (String Inverters) ، لوحات كهربائية على الجانب الثابت في الحالة الأولى أو لوحات كهربائية على الجانب المتردد في الحالة الثانية.

باستخدام التصوير الحراري يمكن تحديد أماكن ارتفاع درجات الحرارة داخل هذه اللوحات والتي قد تنتج عن توصيل كهربائي غير سليم للكوابل داخل اللوحة.

 

ارتفاع درجة الحرارة داخل لوحة كهربائية ناتج عن توصيل غير سليم للكوابل.

 

2.6. الدوائر المفتوحة ودوائر القصر في اللوح الكهروضوئي: 

يمكّن التصوير الحراري من كشف الدوائر المفتوحة (Open Circuits) ودوائر القصر (Short Circuits) في اللوح الكهروضوئي (إن وجدت)، حيث أن الحالة الأولى تحدث في حال وجود خلل في التوصيلات داخل اللوح ويتسبب ذلك في ارتفاع درجة حرارة الخلايا (2-5 درجات) الموجودة في الدائرة المفتوحة بشكل متماثل. أما الحالة الثانية فتحدث في حال كان دايود التجاوز (By-Pass Diode) فعالاً ويتسبب ذلك في ارتفاع درجة حرارة الخلايا (2-5 درجات) بشكل غير متماثل.

 

ارتفاع درجة الحرارة داخل سلسلة واحدة في لوح كهروضوئي بشكل متماثل (دائرة مفتوحة)

 

ارتفاع درجة الحرارة داخل سلسلة واحدة في لوح كهروضوئي بشكل غير متماثل (دائرة قصر)

 

3. المعايير العالمية في التصوير الحراري 

 

المعيار رقم IEC 62446-3 يتناول موضوع التصوير الحراري للألواح والمشاريع الكهروضوئية، حيث يضع شروط ومواصفات لجهاز الفحص (الكاميرا الحرارية)، الظروف المحيطة من حد أدنى للإشعاعية وحد أعلى لسرعة الرياح وتواجد الغيوم، إجراءات وخطوات الفحص، تقرير الفحص، مؤهلات من يقوم بالفحص بالإضافة إلى أمثلة على ارتفاع درجات الحرارة في المشاريع الكهروضوئية وأسبابها كدليل ارشادي للفحص.

أما المعيار رقم IEC 60904-12-1 فيغطي جوانب الفحص الحراري للألواح الكهروضوئية داخل المختبرات أو خطوط الإنتاج ولكن لا يتطرق إلى التفاصيل المتعلقة بالفحوصات الحرارية الخارجية للمشاريع القائمة المربوطة مع الشبكة، ولا إلى الفحوصات الحرارية لمكونات النظام المختلفة عدا عن الألواح الكهروضوئية.

 

4. هل يكشف التصوير الحراري جميع المشاكل الموجودة في الألواح؟ 

التصوير الحراري ببساطة يكشف المشاكل التي ينتج عنها ارتفاع في درجات الحرارة. ولكن في حالة وجود كسور لم ينجم عنها بعد ارتفاع في درجات الحرارة، لن تستطيع تحديدها من خلال التصوير الحراري.

يمكن كشف هذا النوع من الكسور (Micro Cracks) قبل تحوله إلى نقاط ساخنة (Hot Spots) من خلال التصوير باستخدام اللمعان الكهربائي (Electroluminescence imaging). وسوف نتحدث عن هذا النوع من الفحوصات بالتفصيل في مقال جديد.

 

المصادر:

  • IEC 62446-3
  • Review on Infrared and Electroluminescence Imaging for PV Field Applications
  • User’s manual FLIR Tools/Tools+
  • Fluke Website

عن نضال نصار

Avatar photo

مهندس طاقة كهربائية مختص في مجال الطاقة الشمسية والطاقة المتجددة.
* حاصل على جائزة أفضل مهندس طاقة شاب عن منطقة الشرق الأوسط لعام 2020 من منظمة مهندسي الطاقة العالمية.
* حاصل على شهادة مدير طاقة معتمد (Certified Energy Manager).
* حاصل على شهادة مطور معتمد لمشاريع الطاقة الشمسية من أكاديمية RENAC الألمانية.

شاهد أيضاً

المعيار العالمي IEC 61724-2 المتعلق بفحص الأداء الأولي لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

مقدمة     يحدد الجزء الثاني من المعيار IEC 61724 إجراءات قياس وتحليل إنتاج الطاقة الكهربائية …

error: Content is protected !!