Reflectometry for fault detection and localization in photovoltaic systems

This report discusses a method to detect and localize faults on photovoltaic systems. This method is called reflectometry and it is based on the analysis of the Scattering Parameters of the device under study. This is generally performed injecting high frequency electromagnetic waves onto the electrodes of the device. In order to have a deeper understanding of the phenomena taking place in the photovoltaic system, we started our study from the analysis of waves propagation in small photovoltaic cells, through simulations and measurements. Afterwards we performed measurements on more complex systems such as 2 cells connected in series, then a photovoltaic module, which consists of several cells, to conclude the work with measurements on an installation of 9 series connected modules. During these measurements reflectogrammes in the time and fourier domain were recorded in faulty and non-faulty configurations. Faulty configurations include open circuit, short circuit, resistive faults and bypass diodes failures. An essential part of our study consisted of evaluating the influence of environmental factors, such us temperature and irradiance on the reflectometric response of the module. This was a necessary step since modules are outdoors devices thus subjected to external fluctuations. With this technique we were able to detect and localize net faults, such as open circuit, along the line of the modules, while the detection of resistive faults needs further studies. We also discusses the use of reflectometry for checking inter-cell connections of the module at the end of the production line. In conclusion this work builds the necessary basis to proceed toward a deeper understanding of reflectometry in PV systems.

L'industria fotovoltaica é cresciuta rapidamente negli ultimi anni e il numero delle installazioni di sistemi fotovoltaici (PV), sia pubbliche che private, é aumentato enormemente. Tuttavia questa crescita non é stata seguita da altrettanta crescita nel campo della manutenzione e del rilevamento di guasti sulle installazioni. La maggiorparte dei sistemi fotovoltaici sotto i 25 Kwp (Kilo-Watt peak) non dispongono di alcun sistema di monitoraggio, il che causa una riduzione di efficienza dell'installazione oltre che pericoli per la sicurezza delle persone. Le tradizionali tecniche di manutenzione delle installazioni fotovoltaiche implicano l'impiego di manodopera e tempo, oltre alla perdita di energia dovuta all'inutilizzabilità del sistema durante la manutenzione. Per di più, le installazioni fotovoltaiche forniscono tensioni di centinaia di volt, cosa che mette in pericolo la vita delle persone addette alla manutenzione. Esiste quindi un reale bisogno di tecniche che permettano il rilevamento rapido ed efficace di problemi e guasti sulle installazioni PV. In questo ambito il lavoro di questa tesi punta a valutare l'applicabilità di una tecnica, nota come riflettometria e già utilizzata per il rilevamento e localizzazione di difetti sui cavi elettrici, alle installazioni fotovoltaiche. Tale tecnica é essenzialmente utilizzata per la localizzazione di difetti su cablaggi estremamente lunghi o difficilmente accessibili, quali cablaggi di treni, aerei e automobili e permette il rilevamento e la localizzazione immediata dei difetti semplicemente connettendosi agli estremi del cavo. Il principio di rilevamento consiste nell'immissione di onde ad alta frequenza (nel range tra i MHz e i GHz) nei sistemi da monitorare e sul rilevamento del segnale riflesso alla sorgente. Infatti, quando un'onda ad alta frequenza incontra sul suo cammino una discontinuità del mezzo nel quale si sta propagando, una parte dell'onda viene trasmessa mentre l'altra parte riflessa. La forma dell'onda riflessa permette di determinare il tipo di difetto, mentre l'intervallo di tempo tra l'immissione del segnale e il rilevamento del segnale riflesso ne consente la localizzazione. L'efficacia di questa tecnica é stata largamente confermata nella diagnostica di cavi, permettendo di arrivare alla produzione di strumenti di diagnostica commercializzati recentemente o che lo saranno prossimamente. La prima parte di questo lavoro consiste nello studio della propagazione delle onde ad alta frequenza in celle solari di dimensioni di circa 10x10 cm, attraverso simulazioni e misure reali. In un secondo momento sono state realizzate le misure di riflettometria su moduli fotovoltaici, composti da diverse celle solari. Queste misure sono state realizzate principalmente indoor controllando i parametri esterni quali temperatura e illuminazione. Questo set di misure è stata realizzata allo scopo di studiare l'influenza dei parametri esterni sui reflettogrammi e ha permesso di stabilire una varianza della misura legata a fluttuazioni di tali parametri. Infine sono state realizzate una serie di misure all'esterno su un'installazione di 9 pannelli in serie, creando diversi difetti a livello dei connettori e dei pannelli. Grazie alla varianza definita con le misure indoor è stato possibile distinguere fluttuazioni del reflettogramma dovute ai parametri ambientali rispetto a quelle causate dai difetti creati. In conclusione questo lavoro ha permesso di stabilire l'interesse nello sviluppo di questa tecnica che promette risultati soprattutto nella localizzazione di difetti netti, mentre risulta ad oggi inefficace per la rilevazione di difetti resistivi. Inoltre in base ai risultati di questo studio è possibile auspicarne l'utilizzazione in fase di controllo dei singoli moduli fotovoltaici alla fine della catena di produzione.