Προηγμένες τεχνολογίες διάγνωσης-πρόγνωσης βλαβών σε μηχανολογικές κατασκευές με χρήση εποπτικών μεθόδων: περίπτωση υπέρυθρης θερμογραφίας

Abstract

Scope of this Doctoral Dissertation is the qualitative and quantitative assessment of the potential of infrared (IR) thermography, as a vision-based condition monitoring (CM) method, for fault (defect) diagnosis and prognosis in mechanical structures, with main objective and focus on photovoltaic (PV) modules. The potential of the intended method for PV modules’ fault diagnosis, was assessed through three individual case studies, which were diversified as for: i) the performed IR radiometric approach, ii) the inspected elements and iii) the featured thermal image processing and diagnosis technique. Towards the investigation of fault propagation mechanisms and prognosis of their long-term impact to the PV modules’ efficiency, the prospect of IR thermography was evaluated by a comparative case study of IR, electrical I-V and optical microscopy measurements of faults’ evolution, through accelerated ageing tests to PV modules. From the overall results and discussion of both diagnostic and prognostic studies, it was concluded that IR thermography comprises a fairly promising and valuable method of fault diagnosis for PV modules, able provide fast and reliable detection of faults’ thermal signatures, in the form of temperature fluctuations and abnormal temperature profiles in solar cells. Moreover, in most cases, this diagnosis was achieved by using simple thermal image processing techniques, without interrupting the operation of any inspected module. On the other hand, the proposed method presented limited reliability in prognosis of fault evolution and/or propagation through the modules’ lifetime, as well as weak fault classification ability; in principle, the diagnosed faults can be classified according to their location, severity (in terms of temperature rise) or extent, without providing any classification upon the fault type or source. Ultimate goal of such field of research, is to extend the research benefit obtained from this Doctoral Dissertation towards production, energy, financial/investment and, finally, social benefit, through: i) improved long-term reliability and efficiency, ii) reduced life cycle costs, iii) optimized maintenance scheduling of PV modules, as well as iv) decreased costs of electrical energy produced by a PV system.

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ποιοτική και ποσοτική αποτίμηση του δυναμικού αξιοποίησης της υπέρυθρης θερμογραφίας, ως εποπτικής μεθόδου, στην διάγνωση και πρόγνωση βλαβών σε μηχανολογικές κατασκευές, με βασική στόχευση και αντικείμενο εφαρμογής τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) πλαίσια. Σε επίπεδο εντοπισμού και διάγνωσης βλαβών σε Φ/Β πλαίσια, η δυναμική της μεθόδου της υπέρυθρης θερμογραφίας αποτιμήθηκε με την εκπόνηση τριών πειραματικών μελετών περιπτώσεων, διαφοροποιημένων ως προς: i) την προσέγγιση της υπέρυθρης ραδιομέτρησης, ii) τα προς διάγνωση στοιχεία και iii) την τεχνική ανάλυσης των θερμικών αποτυπωμάτων και εξαγωγής της κάθε διάγνωσης. Σε επίπεδο πρόγνωσης της μετάδοσης και της επίδρασης βλαβών στην διάρκεια ζωής των Φ/Β πλαισίων, καθώς και στην αξιοπιστία και τελική απόδοσή τους, οι δυνατότητες της μεθόδου αξιολογήθηκαν με την διερεύνηση της εξέλιξης συγκεκριμένων βλαβών στον χρόνο, μέσα από την συγκριτική μελέτη πειραματικών μετρήσεων υπέρυθρης θερμογραφίας, ηλεκτρικής απόδοσης και οπτικής μικροσκοπίας, πριν και μετά την εφαρμογή τεχνητής επιταχυνόμενης γήρανσης σε Φ/Β πλαίσια. Τα συνολικά αποτελέσματα των μελετών, έδειξαν ότι η υπέρυθρη θερμογραφία, συνιστά εξαιρετικά υποσχόμενη μέθοδο διάγνωσης βλαβών σε Φ/Β πλαίσια, ικανή να ανιχνεύσει και να αποδώσει γρήγορα και αξιόπιστα, το θερμικό αποτύπωμα βλαβών, υπό μορφή θερμοκρασιακών διακυμάνσεων και “ανωμαλιών” σε κλίμακα ηλιακής κυψέλης. Μάλιστα, στην πλειοψηφία των εφαρμογών, η διάγνωση επιτεύχθηκε με την χρήση απλών τεχνικών επεξεργασίας θερμικών εικόνων, δίχως την προϋπόθεση διακοπής λειτουργίας των υπό έλεγχο Φ/Β πλαισίων. Από την άλλη πλευρά, η μέθοδος εμφάνισε αδυναμία αξιόπιστης πρόγνωσης της εξέλιξής των βλαβών στον χρόνο και ταξινόμησής τους ως προς τον τύπο και την προέλευσή τους, περιοριζόμενη στην ταξινόμησή τους ως προς την θέση, την σοβαρότητα ή/και την έκτασή τους. Απώτερη στόχευση αυτού του πεδίου έρευνας, είναι η αναγωγή του σημαντικού ερευνητικού οφέλους αυτής της Διατριβής, σε κατασκευαστικό, ενεργειακό, οικονομικό/επενδυτικό και – εν τέλει – κοινωνικό όφελος, μέσα από: i) την βελτίωση της αξιοπιστίας και της απόδοσης των Φ/Β πλαισίων, ii) την μείωση του κόστους κύκλου ζωής τους, iii) τον σχεδιασμό καταλληλότερων στρατηγικών συντήρησης τους και, iv) τον περιορισμό του κόστους παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από ένα Φ/Β σύστημα.