Kontrola a odhalování závad na solárních panelech a systémech
Autor: Conrad tým, 20. červenec 2023
Neustále se zvyšující ceny elektřiny, státní programy na podporu obnovitelných zdrojů energie a rychlá transformace energetiky činí fotovoltaické systémy s dodávkou do sítě pro soukromé osoby stále zajímavějšími, a to nejen pro vlastníky elektromobilů, kteří mohou takříkajíc zdarma „tankovat“ solární elektřinu, kterou si sami vyrobili.
Také řemeslníci, firmy a průmyslové podniky využívají své střechy a volné plochy k výrobě elektřiny ze slunce, aby si snížili provozní náklady.
Střídače pro dodávku do sítě s inteligentní elektronikou a přímým připojením k internetu poskytují vždy přesný přehled o výkonnosti zařízení.
Díky tomu odpovědné osoby v okamžiku, kdy výtěžek poklesne, okamžitě zjistí, že se zařízením něco není v pořádku. Rádi vám vysvětlíme, jak fotovoltaický systém funguje a co je potřeba provést v případě závady, aby se poškození odstranilo.
Aby bylo možné v případě poruchy fotovoltaického systému rychle najít závadu, je nezbytné vědět vše podstatné o konstrukci a způsobu fungování solárních panelů, resp. kompletního solárního systému.
Solární článek
1) Sluneční světlo | 2) Záporná elektroda | 3) Dopovaná vrstva typu N | 4) PN přechod | 5) Základní vrstva typu P | 6) Kladná elektroda | 7) Spotřebič (žárovka)
Solární panel se skládá z většího či menšího počtu fotovoltaických článků. Naproti tomu fotovoltaický článek se skládá ze dvou velmi tenkých vrstev vysoce čistého křemíku, ke kterému se cíleně přidávají atomy jiných prvků, například bóru a fosforu.
Odborníci hovoří o kladném dopování bórem a o záporném dopování fosforem.
V místě, kde se obě polovodičové vrstvy stýkají, vzniká tzv. PN přechod (hraniční vrstva).
V solárním článku se při dopadu slunečního světla (fotonů) v hraniční vrstvě uvolňují elektrony, které vytvářejí elektrické napětí na připojovacích svorkách.
Solární panel
Jednotlivý solární článek o velikosti například 156 × 156 mm je při silném slunečním svitu v zásadě schopný dodávat nezanedbatelné množství proudu.
Nicméně elektrické napětí je relativně nízké. V případě křemíku činí svorkové napětí jednoho jediného fotovoltaického článku asi 0,5–0,7 V. Proto se jednotlivé solární články v rámci jednoho panelu zapojují za sebe (do série). Funguje to podobně jako u baterií v kapesní svítilně, které jsou za účelem zvýšení napětí rovněž zapojené do série.
Na solárních panelech na obrázku je do série zapojených 36 článků, které tvoří tzv. řetězce (strings). Díky tomu dosahují panely klidového napětí (při otevřených připojovacích svorkách) 24,9 V.
Články jsou po dokončení pájení zalaminovány mezi dvě fólie, což je optimálně chrání před vlhkostí. Hliníkový rám se skleněnou tabulí a stabilní fólie na zadní straně s připojovacím boxem tvoří další komponenty solárního panelu.
Oblíbené solární panely
Solární pole
1) Solární článek | 2) Solární panel | 3) Solární řetězec
Solární pole se skládá z více vzájemně propojených panelů (2). Jednotlivé panely jsou přitom propojené v řadách do tzv. řetězců (strings) (3).
Počet panelů zapojených do série závisí na tom, kolik místa je k dispozici, a tedy na možném počtu panelů.
Důležité přitom je, aby celkové napětí (klidové napětí) všech panelů zapojených do série nepřekročilo vstupní napětí střídače.
Aby byl zachován požadovaný výkon, je v jednom solárním poli paralelně zapojených více řetězců. Počet panelů v jednom řetězci přitom musí být identický.
Střídač a úložiště energie
Protože solární panely (1) na základě své konstrukce poskytují stejnosměrné napětí, musí se toto napětí pomocí střídače (2) transformovat na napětí střídavé. Pouze tak je přes obousměrný čítač (3) možná dodávka do veřejné elektrické sítě nebo využití ve vlastní domácnosti (5).
Střídače často umožňují také připojení úložiště energie (4), resp. Battery Energy Storage System (BESS). Úložiště energie představuje velký akumulátor, který se nabíjí stejnosměrným proudem a který stejnosměrný proud také poskytuje.
Pokud solární systém ve dnech se špatným počasím dodává příliš málo nebo za tmy nedodává žádnou energii, slouží akumulátor jako zdroj energie pro spotřebiče před zahájením jejich napájení z elektrické sítě.
Instalace, resp. pořízení fotovoltaického systému představuje určitou investici, bez ohledu na to, zda si zařízení zakoupíte, nebo pronajmete. Proto je pochopitelné, že osoby, které zařízení provozují, chtějí mít neustálý přehled o funkčnosti celého systému.
V nejjednodušším a cenově nejpříznivějším případě se tak děje na základě odečítání elektroměru. Přitom lze v pravidelných intervalech zapisovat stavy elektroměru a následně je porovnat.
Alternativně se pro získání rychlého přehledu o aktuálním výkonu fotovoltaického systému perfektně hodí měniče frekvence s integrovanými displeji. Ty umějí zobrazovat například sloupcové grafy s časovými osami.
Ve verzi, která je k zákazníkovi nejpřívětivější, se využívají datové záznamníky, které ukládají nejrůznější parametry systému. Data lze velmi pohodlně, kdekoliv a kdykoliv vyvolat prostřednictvím chytrého telefonu.
Nezávisle na způsobu monitorování získáte velmi rychle přesvědčivé empirické hodnoty o výkonnosti systému při různých stavech počasí.
Díky tomu si také velmi rychle povšimnete, pokud by výkon fotovoltaického systému náhle výrazně poklesl, resp. pokud by přestal dosahovat obvyklé výše.
Tip z praxe: Zohlednění degradace při posuzování výkonu
Fotovoltaické panely jsou po celý rok vystavené působení povětrnostních vlivů, a to zcela bez ochrany. Kromě mechanického namáhání deštěm, sněhem a kroupami musejí panely obstát za vysokých teplot i v mrazech a musejí čelit značnému UV záření. Ve výsledku lze konstatovat, že solární panely podléhají přirozenému stárnutí, resp. poklesu výkonu (degradaci). Krystalické panely (fotovoltaické panely s krystalickými články) během 20 až 25 let postupně ztratí asi 10 až 15 % svého výkonu.
Aby bylo později v případě poruchy možné chybu nebo závadu přesně lokalizovat a odstranit, je nezbytné mít k dispozici kompletní dokumentaci k zařízení. Tyto podklady byste si měli během instalace nebo nejpozději při uvedení do provozu vyžádat od projektanta zařízení nebo od firmy, která provedla instalaci. Velmi nápomocná mohou být schémata řetězců a zapojení a protokoly o měření, protože pak v případě poruchy existuje možnost porovnat aktuální hodnoty s daty v době uvedení do provozu v protokolech o měření.
Výpadek střídače
Srdcem každého fotovoltaického systému s dodávkou do sítě je střídač.
Tato vskutku choulostivá součástka citlivě reaguje na velké výkyvy napětí a proudu. Na střídač ale mohou negativně působit i vnější vlivy.
Pokud se prostřednictvím LED kontrolek nebo na displeji zobrazují chybová hlášení, měli byste bezpodmínečně nahlédnout do návodu k obsluze, abyste mohli chybový kód správně přiřadit.
V podkladech jsou většinou popsané i všechny další kroky, které uživatel má nebo musí provést, než se obrátí na specialisty.
Zastínění a hotspoty
Na obrázku vlevo se na výrobě proudu podílejí všechny solární články jednoho panelu (viz červená linie). Na obrázku vpravo jsou řetězce zastíněných článků (zabarvených šedě) přemostěné bypassovými diodami.
V případě zastínění dotčené články za prvé nevyrábějí žádný proud a za druhé působí jako rušivý odpor. Z tohoto důvodu se energetická výtěžnost aktivních článků panelu výrazně snižuje.
Protože se zastíněné články působením vysokého proudu panelu silně zahřívají, vzniká hotspot, který články dříve či později zničí.
Aby k tomu nedocházelo, výrobci instalují do připojovacích boxů solárních panelů navíc ještě tzv. bypassové diody.
V takovém případě představují diody pro proud výrazně menší odpor než zastíněné články a řetězec dotčených článků vyzkratují. Díky tomu lze efektivně zamezit tvorbě hotspotů.
Plíživá ztráta výkonu
Plíživá ztráta výkonu může, ale nemusí nutně souviset s degradací. Často se také stává, že solární panely částečně zastíní větší stromy nebo keře.
Ale příčinou mohou být také odolné nečistoty na větších plochách, které dešťová voda už nedokáže rozpustit a smýt. V takovém případě může profesionální vyčištění solárních panelů znovu výrazně zvýšit výtěžnost.
Odlišné nebo nedostatečné výkony řetězců
Pokud jsou všechny řetězce fotovoltaického systému zkonstruované stejně a panely jsou stejně nasměrované, lze provést průkazné porovnávací měření.
Při něm se rychle ukáže, zda velikost proudu v jednom řetězci není menší než v ostatních řetězcích.
Alternativně lze aktuálně naměřené hodnoty porovnat také s údaji v protokolech o měřeních, která byla provedena při uvádění do provozu.
Pro rychlé a jednoduché měření proudu se hodí takzvané proudové kleště nebo klešťové ampérmetry, protože ty pro měření nevyžadují přerušení elektrických vedení.
Jestliže fotovoltaický systém vykazuje měřitelnou ztrátu výkonu, je potřeba zjistit příčinu chyby a chybu odstranit. Existuje několik postupů.
Vizuální kontrola
Pokud se některý řetězec jeví jako vadný, musejí být solární panely patřící k tomuto řetězci nejprve podrobeny vizuální kontrole. Při ní lze snadno zjistit, jestli třeba kroupy nerozbily skleněnou desku nebo jestli se ve skle neobjevily jemné trhliny (podobné hlemýždím stopám). V závislosti na stáří poškození pak lze snadno rozpoznat stopy oxidace, způsobené vnikající vlhkostí.
Také například vadné připojovací boxy nebo překousané kabely lze při vizuální kontrole snadno odhalit. Lokálně ohraničená změna zabarvení nebo poškození fólie na zadní straně může být rovněž známkou případného přehřívání a poškození článků.
Metrologická kontrola
Pokud dotčené panely nevykazují žádné viditelné poškození, je potřeba provést metrologickou kontrolu. Při této kontrole solárního panelu dává smysl provést porovnávací měření s panely stejné konstrukce, aby bylo možné vadné panely jednoznačně identifikovat. Asi nejdůležitějšími parametry jsou klidové napětí a zkratový proud, pokud jsou panely nasměrované ke slunci stejně.
U panelů, které již nedosahují svého maximálního výkonu, mohou být za jistých okolností příčinou chyby bypassové diody.
Pokud byly diody přetěžovány a vykazují zkrat, nemohou se řetězce, které patří k diodě, podílet na výrobě proudu. Jestliže diody vykazují přerušení, vadné nebo zastíněné články v panelu již nejsou přemosťovány, což opět vede k poklesu energetické výtěžnosti.
Vadné diody lze velmi snadno zjistit při měření multimetrem. Aby nedocházelo k chybám při měření, měly by být diody demontovány, nebo by alespoň měly být přiletované na jedné straně.
Tip z praxe: Pozor při měření u solárních systémů
Na rozdíl od již zmíněného měření proudu klešťovým ampérmetrem vyžadují další měření rozsáhlé zkušenosti v oblasti elektroniky a solární techniky. Nezbytností jsou rovněž fundované znalosti s tím spojených nebezpečí a dodržování potřebných bezpečnostních opatření. U větších systémů, ve kterých je do jednoho řetězce v sérii zapojených mnoho panelů, se totiž může i při slabém slunečním svitu vyskytovat napětí převyšující 100 V.
Termografie za použití termokamery
Jak vizuální, tak i metrologickou kontrolu lze přirozeně bez větší námahy provést pouze v případě, kdy jsou panely nainstalované například na poli, a tudíž jsou snadno přístupné. Pokud jsou panely namontované na střeše domu, kontrola je obtížnější. V takovém případě nebo také při výpadku solárních polí s velmi vysokým počtem solárních panelů se nejlépe osvědčila termografie za použití koptér nebo dronů.
Následující obrázky pořízené termokamerou například ilustrují, jak mohou i méně zkušené osoby dobře rozpoznat různé projevy chyb u solárních systémů díky dobře viditelným rozdílům v jasu.
Panel s hotspoty
Panel s vadnými řetězci
Kompletní výpadek panelu
Kompletní výpadek řetězce
Abyste při termografii získali přesvědčivé snímky, mělo by globální záření dosahovat nejméně 600 W/m2 nebo ideálně 800 až 1 000 W/m2. Také úhel pohledu na panely, resp. měřicí úhel termokamery by se měl pohybovat mezi 50° a 80°.
Zkušenosti naznačují, že odborníci zajišťující lety dronů s termokamerou přesně vědí, kdy přesně a jak mají měření provádět. Na základě vyhodnocení měření, resp. obrazového materiálu pak mohou být přijaty další kroky pro údržbu.
Zda je možné vadný solární panel opravit, nebo ne, to závisí na několika faktorech:
Druh poškození
Technické nedostatky jako poškozený připojovací kabel, spálený konektor, vadný připojovací box nebo také vadné bypassové diody lze zpravidla odstranit jednoduše, rychle a bez velkých nákladů.
Tip z praxe: Výměna bypassových diod
Důležité: Jestliže musíte vadné diody vyměnit, měli byste bezpodmínečně použít Schottkyho diody s potřebnými hodnotami proudu a napětí. Tyto diody totiž vykazují výrazně menší pokles napětí v propustném směru než standardní křemíkové diody.
Horší je, když je poškozená skleněná deska na horní straně panelu. Otázkou pak je, zda škodu utrpělo jenom sklo, nebo také solární články pod ním.
V každém případě je potřeba nejprve jednoznačně určit aktuální výkonnost poškozeného solárního panelu měřením.
Pokud je poškození staršího data, vnikající vlhkost a nečistoty způsobí oxidaci solárních článků umístěných pod sklem, resp. jejich konektorů (viz také obrázek v oddílu Vizuální kontrola).
Stáří, velikost a stav
Jestliže příčinu poklesu výkonu nelze jednoznačně určit, je potřeba zjistit, jak starý panel je. Někteří výrobci fotovoltaiky totiž poskytují na solární panely poměrně dlouhou záruku životnosti. Pokud si nejste jistí, můžete se s dotazem obrátit na prodejce.
Občas se stane, že se u nových panelů poškodí skleněná deska během přepravy. Dotčené panely pak navzdory poškození ještě produkují maximální hodnoty napětí a proudu, uvedené v datových listech. V takovém případě existuje možnost skleněnou desku panelu zapečetit vhodnou tekutou pryskyřicí nebo lakem, a tím panel zachránit.
U starších a menších panelů, které navíc již neposkytují plný výkon, se náklady na zapečetění již nevyplácejí. V takovém případě je nejlepším řešením výměna vadného panelu. Bohužel se ale často stává, že na trhu již není k dostání panel potřebné velikosti a s potřebným výkonem. V takovém případě mohou pomoci firmy, které se specializují na opravy a repasování vadných solárních panelů. Díky neustále se zvyšujícímu počtu solárních systémů lze na internetu snadno vyhledat jak specializované firmy, tak i odborníky, kteří montáž a servis solárních systémů provádějí.
Důkladná vizuální kontrola nebo měření proudu pomocí klešťových ampérmetrů jsou činnosti, které by u solárních systémů měly být prováděny pravidelně. S trochou technických znalostí tyto úkoly snadno zvládnete.
Pokud je ale potřeba u fotovoltaického systému opravit větší poškození, měli by práce provést kvalifikovaní odborníci. Za prvé musejí být práce často prováděny ve výškách a za druhé vyžadují rozsáhlé odborné znalosti.
Přestože lze na internetu najít nejrůznější videa popisující postup při výměně vadných bypassových diod nebo při zapečetění vadných panelů, důrazně vám nedoporučujeme, abyste takové práce prováděli sami, pokud nedisponujete potřebnými odbornými znalostmi. Lepší je už předem vybírat vysoce kvalitní solární panely a uzavřít výhodné pojištění fotovoltaiky, které například při kroupách pokryje veškeré náklady na opravu.