Multispectral imaging and correlation of image signatures of PV failures with electrical signatures

Photovoltaic (PV) energy systems have become a key driver in the transition towards renewable energy sources. Ensuring their reliability and best possible performance is crucial for economically beneficial and safe energy supply, which makes optimal operation and maintenance practices necessary. The thesis presented here contributes to that goal by improving PV module inspections in terms of economic defect analysis and developing advanced methods for luminescence based inspection techniques. A foundational step in this work was the development of the defect-characterization matrix, a tool that combines information on common PV module defects, performance parameters, and inspection techniques. This matrix enables quick insights and evaluations, supporting the identification and understanding of PV module defects and their expected severity. Beyond that, it allows to rate the effectiveness of various inspection methods identifying a large number of defects, showing the advantage of luminescence inspections. Building upon the comprehensive overview provided by the defect-characterization matrix, this thesis explores the economic impacts of individual defect occurrences in depth. By adapting the cost priority number methodology to single defect scenarios, potential costs of individual defect events can be calculated, and repair costs can be balanced against the missing income due to reduced performance. By application of this method in a case study, the variability of defect severity from an economic point of view is shown. This is an important step towards targeted interventions, predictive and prioritized maintenance, based on economic assessments, offering a foundation for real-world applications and decision support in PV plant maintenance strategies. The advantages of luminescence inspection techniques in terms of defect detection efficacy are in contradiction to the higher costs to perform electroluminescence (EL) or daylight photoluminescence (DPL) inspections. To allow these techniques to compete with the common inspection technique infrared thermography in price, the costs to conduct them have to be reduced by increasing the imaging speed. For this purpose, the EL-ready inverter was developed, which overcomes the time-consuming process of connecting external power supplies in the field. This development is expected to achieve doubling of imaging speed from reported 750 kWp/h towards 1,500 kWp/h, along with immense cost reductions for large-scale EL inspections. The development of a DPL-ready inverter allows for seamless operating point switching in the whole PV plant, a key step towards standardized DPL imaging in large-scale PV plants. The additional development of an automated operating point detection algorithm supports the application of DPL from unmanned aerial vehicles without synchronization between inverters and camera. These developments combined result in an estimated imaging speed of at least 1,200 kWp/h. Further investigations into the signal behaviors of EL and DPL have been conducted, particularly examining the effects of module heating during the current injection process of EL inspection. The effects of heating on PV module voltage, the consequences for the power supply unit, and the luminescence signal intensity are analysed. Another inspection analyses the feasibility of quantifying DPL signals to estimate PV module performance and degradation by utilizing the exponential dependence of the luminescence signal to the cell voltage. These studies provide insights into the operational challenges and potential applications of the DPL technique, including temperature-, irradiance-, and geometry induced effects on signal intensity and their correction. The possibility of using DPL for performance assessment by signal intensity comparison is shown. The advancements in PV module inspection techniques introduced in this thesis represent a significant step towards improving the predictive maintenance of PV plants. By providing tools for better defect identification and understanding, alongside innovative solutions for speeding up inspection processes, this work contributes to the ongoing effort to enhance the reliability, performance, and economic viability of PV energy systems. The integration of these methodologies into actual operation and maintenance practices, supported by intelligent automated flight planning and the adoption of digital twin concepts, promises to further optimize PV plant operation and maintenance in the renewable energy landscape. In conclusion, this work contributes to the overall effort to improve the reliability and performance of PV systems through improved operation and maintenance strategies focussing on PV module degradation and inspection. By providing novel insights and tools for defect detection, economic impact assessment and improved inspection techniques, it paves the way for large-scale luminescence inspections and thus more informed and efficient maintenance practices.

Gli impianti fotovoltaici (FV) sono diventati fattori chiave nella transizione verso le fonti di energia rinnovabili. Garantire la loro affidabilità e la migliore prestazione possibile è fondamentale per una fornitura di energia sicura ed economicamente vantaggiosa, il che rende necessarie pratiche di funzionamento e manutenzione ottimali. Questa tesi contribuisce al raggiungimento di questo obiettivo migliorando le ispezioni dei moduli FV in termini di analisi economica dei difetti e sviluppando tecniche avanzate di ispezione basate sulla luminescenza. Un aspetto fondamentale di questo lavoro è stato lo sviluppo della matrice di caratterizzazione dei difetti, uno strumento che combina informazioni sui difetti più comuni dei moduli FV, sui parametri di prestazione e sulle tecniche di ispezione. Questa matrice consente di effettuare rapidamente approfondimenti e valutazioni, supportando l'identificazione e la valutazione dei difetti dei moduli FV e della livello di gravità. Inoltre, consente di confrontare l'efficacia di vari metodi di ispezione che identificano molteplici difetti, mostrando la convenienza delle ispezioni mediante luminescenza. Partendo dalla panoramica completa fornita dalla matrice di caratterizzazione dei difetti, questa tesi esplora in profondità l'impatto economico dei singoli difetti. Adattando la metodologia dell’indice priorità di costo a scenari con difetti singoli, è possibile calcolare i potenziali costi dei singoli eventi di guasto e compensare i costi di riparazione con il mancato guadagno dovuto alla riduzione delle prestazioni. L'applicazione di questo metodo a un caso di studio mostra la diversa gravità dei difetti da un punto di vista economico. Si tratta di un passo importante verso interventi mirati, una manutenzione predittiva e prioritaria, basata su valutazioni economiche, che offre una base per applicazioni reali e supporto decisionale nelle strategie di manutenzione degli impianti FV. I vantaggi delle tecniche di ispezione a luminescenza in termini di efficacia di rilevamento dei difetti sono in contraddizione con i costi più elevati delle ispezioni a elettroluminescenza (EL) o a fotoluminescenza diurna (DPL). Per consentire a queste tecniche di competere in termini di prezzo con la diffusa tecnica di ispezione della termografia a infrarossi, è necessario ridurre i costi di esecuzione aumentando la velocità di acquisizione delle immagini. A questo scopo, è stato sviluppato l'inverter EL-ready, che supera il lungo processo di collegamento di alimentatori esterni sul campo. Con questo elemento si prevede di raddoppiare la velocità di imaging dai 750 kWp/h registrati a 1.500 kWp/h, oltre a ridurre notevolmente i costi per le ispezioni EL su larga scala. Lo sviluppo di un inverter pronto per il DPL consente la commutazione del punto di funzionamento senza interruzioni nell'intero impianto fotovoltaico: un passo fondamentale verso l'imaging DPL standardizzato negli impianti FV su larga scala. L'ulteriore sviluppo di un algoritmo di rilevamento automatico dei punti operativi supporta l'applicazione della DPL da veicoli aerei senza pilota senza sincronizzazione tra inverter e telecamera. L'insieme di questi sviluppi porta a una velocità di imaging stimata di almeno 1.200 kWp/h. Sono state condotte ulteriori indagini sul comportamento dei segnali di EL e DPL, esaminando in particolare gli effetti del riscaldamento del modulo durante il processo di immissione di corrente dell'ispezione EL. Sono stati analizzati gli effetti del riscaldamento sulla tensione del modulo fotovoltaico, le conseguenze per l'alimentatore e l'intensità del segnale di luminescenza. Un'altra ispezione analizza la fattibilità della quantificazione dei segnali DPL per stimare le prestazioni e il degrado del modulo fotovoltaico, utilizzando la dipendenza esponenziale del segnale di luminescenza dalla tensione della cella. Questi studi forniscono indicazioni sulle sfide operative e sulle potenziali applicazioni della tecnica DPL, compresi gli effetti indotti dalla temperatura, dall'irraggiamento e dalla geometria sull'intensità del segnale e la loro correzione. Viene mostrata la possibilità di utilizzare la DPL per la valutazione delle prestazioni attraverso il confronto dell'intensità del segnale. I progressi nelle tecniche di ispezione dei moduli FV introdotti in questa tesi rappresentano un passo significativo verso il miglioramento della manutenzione predittiva degli impianti FV. Fornendo strumenti per una migliore identificazione e valutazione dei difetti, insieme a soluzioni innovative per accelerare i processi di ispezione, questo lavoro contribuisce allo sviluppo in atto per migliorare l'affidabilità, le prestazioni e la redditività economica dei sistemi energetici FV. L'integrazione di queste metodologie nelle pratiche operative e di manutenzione effettive, supportate da una pianificazione intelligente e automatizzata dei voli e dall'adozione del concetto di gemello digitale, promette di ottimizzare ulteriormente il funzionamento e la manutenzione degli impianti FV nel panorama delle energie rinnovabili. In conclusione, questo lavoro contribuisce allo sforzo generale di migliorare l'affidabilità e le prestazioni degli impianti FV attraverso strategie di funzionamento e manutenzione migliorate, incentrate sul degrado e sull'ispezione dei moduli FV. Fornendo nuovi spunti e strumenti per il rilevamento dei difetti, la valutazione dell'impatto economico e il miglioramento delle tecniche di ispezione, questa tesi apre la strada a ispezioni di luminescenza su larga scala e quindi a pratiche di manutenzione più informate ed efficienti.