Wat is fotovoltaïsche (PV) technologie?

Fotovoltaïsche technologie zet zonlicht met halfgeleidermaterialen rechtstreeks om in elektrische energie. Wanneer licht een PV-cel bereikt, kunnen geabsorbeerde fotonen ladingdragers vrijmaken die door het interne elektrische veld van de cel worden gescheiden. Zo ontstaat een gelijkspanning en kan er stroom door een extern circuit lopen.

Eén cel levert een beperkte spanning en stroom, daarom worden cellen onderling verbonden tot modules. Modules worden vervolgens samengevoegd tot strings en arrays om de elektrische eigenschappen te krijgen die het systeemontwerp vraagt. Omvormers zetten de gelijkstroom om in wisselstroom wanneer de installatie wisselstroomverbruikers voedt of op een wisselstroomnet is aangesloten.

PV-systemen bestaan uit meer dan modules en omvormers. Bekabeling, connectoren, montageconstructies, combinerboxen, beveiligingen, aardingsvoorzieningen, monitoringapparatuur, scheidingsschakelaars, meters en regelsystemen kunnen allemaal deel uitmaken van een installatie.

Het elektrische vermogen verandert voortdurend met de zonneomstandigheden en de bedrijfstemperatuur. Daarom vraagt de beoordeling van een installatie om context, in plaats van één vermogenswaarde als blijvende eigenschap van de installatie te beschouwen.

Cellen in een module zijn elektrisch met elkaar verbonden, zodat hun afzonderlijke spannings- en stroombijdragen kunnen worden samengevoegd. Modules kunnen vervolgens in serie worden geschakeld om de stringspanning te verhogen en parallel om de stroomcapaciteit te vergroten, afhankelijk van de omvormer en het systeemontwerp.

Seriegeschakeld betekent dat het elektrische gedrag van het ene deel van het circuit de rest van de string kan beïnvloeden. Als één module of celgroep sterk beschaduwd of elektrisch beperkt is, kan de stroom door het serietraject worden beïnvloed. Bypassdiodes kunnen het gedrag van delen van een module onder bepaalde omstandigheden veranderen, maar nemen niet alle gevolgen van mismatch of schade weg.

Op arrayniveau kunnen veel strings combinerapparatuur of afzonderlijke omvormeringangen voeden. Een juiste stringlengte, polariteit, kabeldoorsnede, staat van de connectoren, beveiliging en apparatuurwaarden zijn daarom belangrijk, omdat de installatie is opgebouwd uit herhaalde circuits die op de stroomafwaartse apparatuur inwerken.

Het idee van de “zwakste schakel” is alleen nuttig als het zorgvuldig wordt toegepast. Eén afwijkend onderdeel kan de opbrengst van aangesloten apparatuur beïnvloeden, maar het precieze effect hangt af van de circuittopologie, het bypassgedrag, de omvormerarchitectuur, schaduw en de bedrijfsomstandigheden.

Inzicht in de hiërarchie van cel tot array helpt bij het lokaliseren van fouten. Een thermisch patroon op celniveau, een spanningsverschil in een module, een stroomafwijking in een string en een omvormeralarm beschrijven verschillende niveaus van hetzelfde elektrische systeem.

Instraling is een van de belangrijkste factoren voor de PV-opbrengst. Meer invallende zonne-energie laat de array over het algemeen meer stroom leveren, terwijl wolken, schaduw, de zonnehoek en atmosferische omstandigheden de beschikbare instraling kunnen verminderen. Metingen moeten daarom worden geïnterpreteerd aan de hand van de omstandigheden op dat moment.

Ook de moduletemperatuur beïnvloedt het elektrische gedrag. Bij kristallijn-siliciummodules verlaagt een stijgende celtemperatuur bij vergelijkbare instraling over het algemeen de spanning en kan het beschikbare vermogen afnemen. Het effect moet worden beoordeeld aan de hand van de eigenschappen van de geïnstalleerde module, niet van een universele temperatuuraanname.

Schaduw kan afzonderlijke cellen, delen van modules, hele strings of grotere delen van de array beïnvloeden, afhankelijk van de bron en de geometrie. Bomen, bouwwerken, aangrenzende rijen, ophoping van vuil, sneeuw, vegetatie of tijdelijke voorwerpen kunnen allemaal de instraling op het actieve celoppervlak veranderen.

Vervuiling heeft een vergelijkbaar, locatiespecifiek effect. Stof, pollen, vogelpoep, landbouwresten en andere afzettingen kunnen het licht dat de cellen bereikt verminderen, maar de praktische invloed hangt af van de bedekking, de verdeling, de hoek van de module, het weer en de plaatselijke reinigingspatronen.

Ook de elektrische toestand is van belang. Onderbrekingen, verbindingen met hoge weerstand, beschadigde connectoren, doorgebrande zekeringen, beperkingen van de omvormer, isolatiefouten en andere problemen kunnen het gedrag van de installatie veranderen, los van het beschikbare zonlicht.

PV-installaties staan lange tijd buiten en bevatten veel herhaalde onderdelen en verbindingen. Weer, thermische cycli, vocht, vervuiling, mechanische beweging, dieren, vegetatie, onderhoudswerk en elektrische belasting kunnen de staat van de apparatuur na de inbedrijfstelling veranderen.

Monitoringsystemen leveren nuttige bedrijfsinformatie, maar tonen niet elk fysiek defect. Een omvormer kan het totale vermogen rapporteren terwijl een plaatselijk probleem met een connector, module of aarding met gegevens op installatieniveau alleen moeilijk te herkennen blijft.

Inspectie helpt het elektrische gedrag te koppelen aan de fysieke apparatuur. Visuele controles kunnen mechanische of omgevingsomstandigheden laten zien, elektrische tests kunnen specifieke circuiteigenschappen verifiëren en thermografie kan temperatuurpatronen tonen die samenhangen met afwijkend bedrijfsgedrag.

Verschillende inspectiemethoden moeten daarom worden gekozen op basis van de vraag die moet worden beantwoord. Isolatieweerstandsmetingen onderzoeken de elektrische isolatie, polariteitstests controleren de richting van de geleiders, stroom- en spanningsmetingen beschrijven het circuitgedrag en functionele tests controleren of gedefinieerde apparatuurfuncties correct reageren.

Inspectie betekent niet dat elk waargenomen verschil een storing is. Resultaten hebben context, vergelijking en, waar nodig, vervolgmetingen nodig voordat een oorzaak wordt toegewezen.

Thermografie registreert infraroodstraling die samenhangt met de oppervlaktetemperatuur. In een PV-systeem in bedrijf kan het relatieve temperatuurpatronen laten zien over cellen, modules, connectoren, geleiders en andere onderdelen, mits de opnameomstandigheden geschikt zijn.

Elektrische tests meten andere eigenschappen rechtstreeks. Stroom, spanning, isolatieweerstand, continuïteit en polariteit beantwoorden elk een smallere elektrische vraag. Een thermisch patroon kan aangeven waar onderzoek nodig is, terwijl een elektrische test kan helpen vast te stellen of een circuiteigenschap buiten de verwachte toestand valt.

De twee soorten bewijs vullen elkaar aan en zijn niet uitwisselbaar. Een connector kan een abnormaal temperatuurpatroon vertonen dat leidt tot een weerstands- of verbindingscontrole, terwijl een isolatiefout elektrisch kan worden gedetecteerd zonder een bruikbare thermische signatuur te geven.

IEC 62446-3 gaat over thermografische inspectie buiten van PV-systemen in bedrijf. De norm behandelt apparatuur, omgevingsomstandigheden, procedure, competentie van het personeel en rapportage, en legt niet één universeel moduletemperatuurbereik op voor alle installaties.

Thermische bevindingen moeten worden geïnterpreteerd met oog voor instraling, wind, bewolking, moduletemperatuur, reflecties, kijkhoek en elektrische bedrijfstoestand. Een warm gebied alleen bewijst geen specifieke grondoorzaak.

Ook elektrisch bewijs heeft grenzen. Een normale spannings- of stroomwaarde bewijst niet dat elk deel van de string vrij is van mechanische, thermische of isolatiegerelateerde problemen.

Een PV-systeem heeft geen batterij nodig om te werken. Netgekoppelde systemen kunnen beschikbaar vermogen via een omvormer naar lokale verbruikers of naar het elektriciteitsnet sturen, volgens het systeemontwerp en de geldende aansluitregeling.

Batterijopslag kan worden toegevoegd wanneer het project energieverschuiving, noodstroom, beheersing van teruglevering of een andere opslagfunctie vereist. Het batterijsysteem brengt eigen vermogenselektronica, beveiliging, regeling, bedrijfsgrenzen en onderhoudseisen met zich mee. Het moet daarom als een apart subsysteem worden behandeld, en niet worden aangenomen als onderdeel van elke PV-installatie.

Off-grid-installaties kunnen opslag gebruiken omdat opwek en verbruik op verschillende momenten plaatsvinden en er geen netaansluiting is om dat te balanceren. De vereiste architectuur hangt af van de belasting, het opwekprofiel, het opslagontwerp, de noodstroomstrategie en de doelstelling.

Netgekoppelde PV is ook afhankelijk van omvormer- en beveiligingsfuncties. Spanning, frequentie, synchronisatie, eilandbeveiliging, regelinstellingen en monitoring kunnen, afhankelijk van de installatie, deel uitmaken van de bedrijfseisen.

De aanwezigheid van een batterij neemt de noodzaak niet weg om de PV-array zelf te inspecteren. Modules, strings, bekabeling, connectoren, montage, beveiligingen en apparatuur aan de omvormerzijde vragen nog steeds een beoordeling van hun staat volgens het onderhoudsplan.

Geen enkele inspectiemethode beschrijft de volledige toestand van een PV-installatie. Monitoring kan een afwijking in het bedrijf signaleren zonder die fysiek te lokaliseren, terwijl visuele inspectie schade kan vinden die nog geen duidelijk elektrisch signaal heeft gegeven.

Eén inspectie is ook geen continue monitoring. Omstandigheden kunnen na het bezoek veranderen, sporadische storingen zijn tijdens de test mogelijk niet actief en weersafhankelijke effecten kunnen alleen onder bepaalde bedrijfsomstandigheden optreden.

Thermische beeldvorming heeft specifieke grenzen. Het kan temperatuurverschillen laten zien die samenhangen met cellen, diodes, verbindingen, strings of andere bedrijfstoestanden, maar een thermisch beeld alleen bewijst de grondoorzaak niet. Elektrische of fysieke verificatie kan nodig zijn voordat een defect wordt geclassificeerd.

Evenzo stelt een normaal thermisch beeld niet vast dat isolatie, polariteit, aarding, stroomgedrag of elke verbinding correct is. Daarvoor zijn de passende elektrische of mechanische controles nodig.

IEC 62446-3 biedt een kader voor thermografische inspectie buiten van PV-systemen in bedrijf, met inbegrip van apparatuur, omgevingsomstandigheden, procedure, competentie van het personeel en rapportage. Het is geen softwarealgoritme en definieert niet één vast temperatuurcriterium voor alle installaties.