Звичайна камера навчилася бачити приховані проблеми сонячних панелей

Дослідники з Університету Штутгарта, Дослідницького центру Юліха та Solarzentrum Stuttgart продемонстрували метод, який дозволяє використовувати відносно недорогу звичайну цифрову камеру для кількісної оцінки стану сонячних елементів і модулів. Для цього камеру модифікують для роботи з інфрачервоним випромінюванням, додають оптичний фільтр і проводять спеціальне калібрування.

Результати роботи опубліковані в Journal of Applied Physics. Йдеться не просто про отримання незвичайних фотографій: після калібрування яскравість окремих ділянок зображення можна перетворювати на кількісні дані про характеристики сонячного елемента.

Камера бачить світіння, яке людське око не помічає

В основі методу лежить електролюмінесценція. Якщо до сонячного елемента прикласти електричну напругу, він починає випромінювати світло, значна частина якого перебуває в інфрачервоному діапазоні та не сприймається людським оком.

Зображення цього світіння вже давно використовуються для пошуку неоднорідностей, дефектних зон та інших проблем у фотоелектричних модулях. Однак команда Юргена Вернера пішла далі: дослідники створили фізичну модель відгуку камери, яка враховує лінійну та нелінійну поведінку сенсора.

Завдяки цьому знімок перестає бути просто картинкою, на якій видно світлі й темні області. Після калібрування він дозволяє визначати абсолютну електролюмінесцентну квантову ефективність і на її основі оцінювати напругу холостого ходу окремих ділянок елемента або цілого модуля.

Для експерименту взяли звичайну споживчу камеру

Автори використовували комерційно доступну цифрову камеру, модифіковану для реєстрації інфрачервоного випромінювання кремнієвих сонячних модулів. З камери прибрали стандартне обмеження на реєстрацію інфрачервоного світла, а перед об'єктивом встановили довгохвильовий фільтр, який пригнічує більшу частину видимого спектра.

Як пояснює один з авторів дослідження Юрген Вернер у матеріалі AIP Publishing, правильно відкаліброване електролюмінесцентне зображення містить значно більше інформації, ніж просто розподіл світлих і темних зон. Воно може показувати локальні відмінності в характеристиках сонячного елемента або модуля.

Дослідники перевірили панелі з різницею у віці понад 45 років

Щоб перевірити метод на практиці, команда дослідила кремнієві модулі різних поколінь — від ранніх зразків 1978 року до сучасних промислових панелей.

Напруга холостого ходу у протестованих модулів змінювалася приблизно від 560 мВ у старих панелей до 690 мВ у сучасних. Камера після калібрування дозволила пов'язати ці відмінності з виміряною електролюмінесцентною квантовою ефективністю.

Це важливий момент: метод потенційно дозволяє не просто знайти проблемну область на панелі, а отримати числову оцінку її характеристик.

Чому ця технологія може виявитися важливішою, ніж здається

Найцікавіша частина дослідження полягає не в самій можливості побачити інфрачервоне світіння. Спеціалізовані системи електролюмінесцентної діагностики існують давно. Новий підхід показує, що частину таких вимірювань потенційно можна виконувати за допомогою значно доступнішого обладнання.

Якщо метод вдасться адаптувати для масового використання, він може бути корисним виробникам сонячних модулів, монтажним компаніям та сервісним центрам. Одне з потенційних застосувань — швидше знаходження деградованих або неоднорідних ділянок великих сонячних панелей без необхідності використовувати складне лабораторне обладнання для кожного вимірювання.

Водночас говорити про те, що будь-яку домашню фотокамеру вже зараз достатньо навести на сонячну панель, було б неправильно. Камеру необхідно модифікувати, використовувати відповідний фільтр і, головне, відкалібрувати її за фізичною моделлю. Технологія поки що є дослідницьким методом, а не готовою функцією для смартфона.

Наступний крок — вимірювання просто при денному світлі

Команда планує випробувати метод на інших сонячних елементах і модулях та використовувати відкалібровану камеру для визначення їхньої квантової ефективності й напруги холостого ходу.

Ще цікавішим напрямом може стати фотолюмінесцентна діагностика. За словами авторів, створена модель потенційно підходить не лише для електролюмінесценції, а й для фотолюмінесцентних вимірювань і навіть для роботи за денного освітлення.

Якщо цей напрям вдасться розвинути, у перспективі перевірка сонячних модулів може стати помітно простішою: замість суто лабораторної процедури частину діагностики можна буде виконувати безпосередньо на місці встановлення панелей.