EP4732424A2 - Verfahren zur bestimmung eines verschmutzungsgrades einer oberfläche eines photovoltaik-moduls - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eine Photovoltaik-Moduls einer Solaranlage oder eines Solarkraftwerkes mit folgenden Schritten: a) Auswählen und Bereitstellen einer definierten dunklen Fläche, Positionieren einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera oder Justieren der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls derart, dass ein Abbild der dunklen Fläche aus Sicht einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls erscheint, und Beleuchten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit Licht, wobei eine bekannte oder vorgegebene Beleuchtungssituation erzeugt wird, b) Aufnahme von Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit der Kamera, c) Bestimmen von Bereichen eines aus den Bilddaten bestehenden Bildes oder mehrerer aus den Bilddaten bestehenden Bilder, die die Reflektion der dunklen Fläche in der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zeigen, d) Bestimmen von Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels mindestens eines das rote oder einen Teil des roten Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera oder mittels mindestens eines das grüne oder einen Teil des grünen Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera, wobei mittels der Bildkanalinformationen Bildinformationen der Bilddaten für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche bestimmt werden, und e) Bestimmen des Verschmutzungsgrades der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls aus den Bildinformationen für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder der Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche; wobei in einem Kalibrierungsschritt die Bildinformationen mit Referenzwerten des Verschmutzungsgrades abgeglichen werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eines Photovoltaik- Moduls einer Solaranlage oder eines Solarkraftwerkes.

Solarkraftwerke können Photovoltaik-Anlagen aufweisen, die meistens aus mehreren Photovoltaik-Modulen bestehen, die die Solarstrahlung direkt in Strom umwandeln. Dabei trifft die Sonne auf große Flächen, wobei die Solarstrahlung von den Photovoltaik-Modulen des Solarkraftwerkes absorbiert wird.

Derartige große Flächen, die zumeist im freien Feld aufgestellt sind, neigen zu Verschmutzungen, wodurch die Leistungsfähigkeit des Photovoltaik-Moduls eingeschränkt wird.

Photovoltaik-Module weisen eine transparente Schicht, zumeist ein transparentes Substrat, als Abdeckung der Photovoltaik- bzw. Solarzellen, auf. Durch Verschmutzung wird die Transmission von Solarstrahlung durch das Substrat und somit der Stromertrag vermindert.

Daher werden häufig die Oberflächen der Photovoltaik-Module der Solarkraftwerke in regelmäßigen Abständen gereinigt. Die Reinigung dieser Oberflächen, die mehrere tausend Quadratmeter groß sein können, ist jedoch mit einem großen Aufwand verbunden. Um den optimalen Zeitpunkt für Reinigungsvorgänge zu bestimmen, wird versucht, die Verschmutzung messtechnisch zu bestimmen.

Derzeit werden Verschmutzungsmessungen an Spiegelflächen von Solarkraftwerken mittels eines Handgeräts zur Reflektivitätsmessung durchgeführt. Das Handgerät misst unter einem festen Winkel die Reflexion eines künstlich erzeugten Lichtstrahls. Die Messung der Reflexion mit diesem Gerät erfolgt auf einem Fleck von weniger als 1 cm Durchmesser auf dem Spiegel und ist nicht automatisierbar. Zur Erstellung einer Messreihe muss somit eine Vielzahl von Messungen von Hand und vor Ort durgeführt werden, was langwierig und kostenträchtig ist, da üblicherweise mit dem Handgerät für fünf Messpunkte auf einer Spiegelprobe ca. 15 Minuten benötigt werden. In einem Kraftwerk ist diese Arbeitszeit somit ein kritischer Kostenfaktor.

Aus DE 10 2017 211 466 B3 der Anmelderin ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Verschmutzungsgrad einer reflektierenden Fläche mittels einer Kamera bestimmt wird. Dabei wird ein mittels der Kamera ermittelter Grauwert der reflektierenden Fläche mit Referenzmessungen eines Verschmutzungsgrades abgeglichen. Aus diesem Abgleich lässt sich der Verschmutzungsgrad der reflektierenden Fläche bestimmen.

Nachteilig bei dem vorbekannten Verfahren ist, dass aufgrund der Verwendung von Grauwerten zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades der reflektierenden Fläche bei der Bestimmung des Verschmutzungsgrades ein hohes Signal-zu- Rausch-Verhältnis entsteht, wodurch die erzielten Messergebnisse nur bedingt genau sind.

Die Verschmutzung der der Oberflächen von Photovoltaik-Modulen in Solarkraftwerken wird hauptsächlich durch Staub verursacht. Aufgrund unterschiedlicher Windverhältnisse, die um die Oberfläche des Photovoltaik-Moduls herrschen, können unterschiedliche Verschmutzungsgrade an verschiedenen Positionen einer Oberfläche des Photovoltaik-Moduls entstehen.

Es bestehen darüber hinaus große Unterschiede in Bezug auf den Verschmutzungsgrad zwischen der Mitte einer Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls und den Randbereichen. Eine quantitative Aussage über den örtlichen Verschmutzungsgrad durch Interpolation zwischen den einzelnen Messpunkten ist zeitlich aufwändig und zudem häufig mit Messfehlern behaftet.

Der Verschmutzungsgrad wird bei reflektierenden Flächen von Solarkraftwerken als Quotient aus dem gerichteten Reflexionsgrad einer verschmutzten Fläche zu einer sauberen Fläche bestimmt. Im Falle von Photovoltaikkraftwerken, bei denen die Solarstrahlung durch ein Substrat transmittiert, ist der Verschmutzungsgrad üblicherweise das Verhältnis von der elektrischen Ausgangsleistung eines verschmutzten Moduls zu einem gereinigten Modul und entspricht somit im Wesentlichen dem Verhältnis der Transmissionsgrade des verschmutzten und gereinigten Substrats. Um die Reinigung der reflektierenden Fläche bzw. der gesamten Solarfelder zu optimieren, wäre daher eine schnelle, großflächige, ortsaufgelöste und qualitative Messmethode von Vorteil, wobei die Messung möglichst automatisiert erfolgen sollte.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eines Photovol- taik-Moduls zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls eines Solarkraftwerkes sind folgende Schritte vorgesehen : a) Auswählen und Bereitstellen einer definierten dunklen Fläche,

Positionieren einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera oder Justieren der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls derart, dass ein Abbild der dunklen Fläche aus Sicht einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls erscheint, und

Beleuchten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit Licht, wobei eine bekannte oder vorgegebene Beleuchtungssituation erzeugt wird, b) Aufnahme von Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit der Kamera, c) Bestimmen von Bereichen eines aus den Bilddaten bestehenden Bildes oder mehrerer aus den Bilddaten bestehenden Bilder, die die Reflexion der dunklen Fläche auf dem Photovoltaik-Modul zeigen, d) Bestimmen von Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels mindestens eines das rote oder einen Teil des roten Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera oder mittels mindestens eines das grüne oder einen Teil des grünen Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera, wobei mittels der Bildkanalinformationen Bildinformationen der Bilddaten für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche bestimmt werden, und e) Bestimmen des Verschmutzungsgrades der Oberfläche des Photovoltaik-Mo- duls aus den Bildinformationen für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder der Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche; wobei in einem Kalibrierungsschritt die Bildinformationen mit Referenzwer- ten des Verschmutzungsgrades abgeglichen werden.

Der Verschmutzungsgrad wird bei Photovoltaikkraftwerken, bei denen die Solarstrahlung durch ein Substrat transmittiert, als das Verhältnis von der elektrischen Ausgangsleistung eines verschmutzten Moduls zu einem gereinigten Modul bestimmt und entspricht somit im Wesentlichen dem Verhältnis der Transmissionsgrade des verschmutzten und gereinigten Substrats.

Der Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, dass die Kamera an einem Punkt der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls das reflektierte Bild der dunklen Fläche erkennt. Unter "dunklen Fläche" wird im Rahmen der Erfindung eine Fläche verstanden, bei der der von dem Photovoltaik-Modul gerichtet reflektierte Strahlungsfluss der dunklen Fläche kleiner ist als der Strahlungsfluss, der aufgrund der Beleuchtung vom Schmutz auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls in die Kamera gestreut wird. Die dunkle Fläche kann dabei auf einfache Art und Weise bestimmt werden, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung.

Durch die Verschmutzung der entsprechenden Fläche wird Strahlung, die vom Photovoltaik-Modul reflektiert wird, vorwärts und rückwärts gestreut. Die Kamera nimmt in Abhängigkeit von dem Beleuchtungswinkel und dem Beobachtungswinkel einen Anteil der gestreuten Strahlung war. Bei Photovoltaik-Modulen weist das abdeckende transparente Substrate eine sehr hohe Transparenz auf, sodass nur eine sehr geringe Reflexion erfolgt. Der Einfluss des direkt reflektierten Anteils der in der Kamera detektierten Helligkeit ist daher vergleichsweise gering und kann besonders bei höheren Verschmutzungsgraden vernachlässigt werden. Einen größeren Einfluss hat die Helligkeitsverteilung der hinter dem Substrat befindlichen absorbierenden Solarzellenoberfläche. Das auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls erscheinende und von der Kamera aufgenommene Abbild der dunklen Fläche ist somit eine Reflexion der dunklen Fläche an dem abdeckenden transparenten Substrat zusammen mit einem Bild der Solarzellenoberfläche.

Bei den von der Kamera aufgenommenen Bilder erscheint eine verschmutzte Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls heller als eine saubere Oberfläche, bedingt durch die oben beschriebene Streuung der Solarstrahlung an den Schmutzpartikeln. Der Verschmutzungsgrad kann somit aus einem Vergleich einer Messung einer verschmutzten Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls mit Informationen einer Referenzmessung bestimmt werden.

Ist die Oberfläche des Substrats des Photovoltaik-Moduls verschmutzt, so reduziert sich die auf die Oberfläche des Substrats einfallende und somit an die Solarzellenoberfläche gelangende Solarstrahlung um den Verschmutzungsgrad, wobei dieser als ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert über das Solarspektrum angenommen wird. Dabei ist der Verschmutzungsgrad von dem Einfallswinkel der einfallenden Solarstrahlung abhängig, da ein schräger Einfall die Schmutzpartikelanzahl pro projizierter Fläche erhöht. Die projizierte Fläche entspricht dabei der Fläche, die von der Kamera aufgenommen wird. Zusätzlich kann als eine einfache Näherung eine Proportionalität zwischen den Verschmutzungsverlusten und der Partikelanzahl angenommen werden. Andere Zusammenhänge zwischen Verschmutzungsverlusten und der Partikelanzahl sind ebenfalls möglich.

Durch die Verwendung einer definierten dunklen Fläche, die vom Photovoltaik-Mo- dulreflektiert wird, wird erreicht, dass bei der späteren Bestimmung der Bildkanalinformation der Anteil der Strahlung, die ausgehend von der dunklen Fläche durch den Schmutz transmittiert, reflektiert und erneut transmittiert wird, bekannt oder ermittelbar ist. Beispielsweise ist es möglich, bei einem sauberen bzw. gereinigten Modul die Reflexion definierten dunklen Fläche auszunehmen, um mit diesem Hintergrundsignal, das Informationen über Transmission und Reflektion des Lichts kommend von der dunklen Fläche beinhaltet, eine Kalibrierung durchzuführen.

Die bestimmte Bildkanalinformation wird daher im Wesentlichen durch die an dem Schmutz gestreuten Strahlungsflüsse des die Oberfläche beleuchtenden Lichts beeinflusst. Als definierte dunkle Fläche kann in diesem Zusammenhang beispielsweise der Himmel verwendet werden. Es lässt sich somit in vorteilhafter Weise von der Bildkanalinformation auf den Verschmutzungsgrad schließen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere der an der Verschmutzung gestreute Strahlungsfluss ausgewertet, sodass die erfindungsgemäßen Messungen besonders sensitiv für Verschmutzungen der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mehreren Farbkanäle der Kamera können beispielsweise einen Rotkanal, einen Grünkanal und einen Blaukanal einer herkömmlichen Digitalkamera aufweisen.

Unter einer bekannten oder vorgegebenen Beleuchtungssituation wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass bei gerichteter Lichtstrahlung Strahlungsfluss und die Strahlungsrichtung bestimmbar und somit bekannt sind oder vorgegeben werden. Auch kann als Beleuchtungssituation diffuses Licht mit bekanntem oder vorgegebenem Strahlungsfluss erzeugt bzw. verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Beleuchtungssituation künstlich erschaffen wird oder durch natürliche Strahlung erfolgt. Die künstliche Beleuchtung hat den Vorteil, dass diese als sehr konstante, d. h. nicht schwankende Beleuchtung geschaffen werden kann, die darüber hinaus sehr genau vorgegeben werden kann bzw. bekannt ist. Die Verwendung von natürlicher Strahlung hat den Vorteil, dass ein zusätzlicher vorrichtungstechnischer Aufwand vermieden wird. Bei der Verwendung von natürlicher Strahlung, wie beispielsweise Solarlicht, vom Mond reflektiertes Licht oder Sternenlicht, ist es von Vorteil die Messung der Strahlung an oder in der Nähe der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zur Normierung vorzunehmen. Die Messung der Strahlung kann mittels bekannter Methoden erfolgen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bilddaten als Rohbilddaten aufgenommen und entsprechend in Schritten b) und c) bzw. in dem weiteren Verfahrensschritten verwendet werden. Die Aufnahme von Rohbilddaten der Oberfläche des Photovol- taik-Moduls bietet den Vorteil, dass automatische Kamerakorrekturen wie beispielsweise Weißabgleich oder Gammakorrektur umgangen werden. Diese Korrekturen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unerwünscht, da sie das spätere Bestimmen des Verschmutzungsgrades der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls beeinflussen können. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rohbilddaten in Form einer Serie von Rohbilddaten aufgenommen werden.

Die Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls können sowohl Bereiche, die eine Reflexion der dunklen Fläche in der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zeigen, als auch Bereiche ohne diese Reflexion enthalten. Durch das Bestimmen der Bereiche, die eine Reflexion der dunklen Fläche in der Oberfläche des Photovoltaik- Moduls zeigen, wird somit der für das Verfahren wesentliche Ausschnitt des aus den Bilddaten bestehenden Bildes definiert. Die für das Verfahren nicht relevanten Bereiche können aus den Bilddaten entfernt werden, sodass das aus den Bilddaten bestehende Bild in vorteilhafter Weise eine reduzierte Datenmenge aufweist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Bilddaten eines bestehenden Bildes auch nur Bereiche, die eine Reflexion der dunklen Fläche in der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zeigen, enthalten. In diesem Fall können in Schritt d) entweder aus den Bilddaten bestehenden Bild als bestimmter Bereich oder auch nur Teilbereich verwendet werden.

Die Bildkanalinformationen aus den Bilddaten liefern die Bildinformationen, die ausschließlich mittels eines Kanals aufgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Bildkanalinformation eines Rotkanals verwenden. Das rote Farbspektrum kann dabei auch einen Bereich des infraroten Spektrums aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass Bildkanalinformationen, die über einen Rotkanal aufgenommen worden sind, deutlich vorteilhafter für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind als Bildkanalinformationen, die beispielsweise über einen Blaukanal aufgenommen werden. Bildinformationen einer sauberen Oberfläche weisen einen vergleichsweise niedrigen Rot-Anteil auf, der über den Rotkanal erfasst wird. Bei verschmutzen Oberflächen steigen zumindest in allen von den Anmelder untersuchten Fällen die Anteile aller Farbwerte an. Somit sind die Bildkanalinformationen des roten Farbkanal besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, da sich das Signal des roten Farbkanal von sauberer zu verschmutzter Oberfläche stark verändert.

Es hat sich somit herausgestellt, dass die Bildinformationen des roten Farbkanals einer sauberen Oberfläche des Photovoltaik-Moduls im Vergleich zu einer verschmutzten Oberfläche des Photovoltaik-Moduls größere Abweichungen aufweisen als bei der Verwendung eines Grauwertes zur Verschmutzungsbestimmung gemäß dem Stand der Technik und somit vorteilhafter für eine Verschmutzungsbestimmung geeignet sind Der erste Farbkanal, der das rote oder einen Teil des roten Farbspektrums abbildet, ist somit besonders vorteilhaft für eine Spektralanalyse der Bilddaten und für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch die Bildkanalinformation eines Grünkanals verwenden. Genauso wie bei der Verwendung des Rotkanals wird auch bei der Verwendung des Grünkanals der Blaukanal ausgeschlossen. Da die definierte dunkle Fläche häufig, wie beispielsweise bei der Verwendung des Himmels als definierte dunkel Fläche, eine hohen Blaukanal hat, führt der Ausschluss des Blaukanals, wie es bei der Verwendung des Grünkanals erfolgt, häufig zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis.

Der Verschmutzungsgrad der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls wird mit Hilfe von Informationen, die der Kalibrierungsschritt bereitstellt, bestimmt. Die dabei verwendeten Referenzwerte können beispielsweise Messungen einer gereinigten Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls sein oder Messungen einer Oberfläche mit einem bekannten Verschmutzungsgrad. Zudem können die Referenzwerte beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung unter Laborbedingungen entstehen oder in situ durchgeführt werden. Hierbei kann ein Abschnitt der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls verwendet werden, wobei im vorgegebenen zeitlichen Abstand der Verschmutzungsgrad gemessen wird und die Bildkanalinformationen ermittelt und zusammen mit der Beleuchtungssituation gespeichert werden. Grundsätzlich ist auch eine Abschätzung der Referenzwerte möglich, wobei beispielsweise mittels einer Streusimulation die abgeschätzten Werte quantifiziert werden könnten. Dabei kann der Kalibrierungsschritt alternativ zu den Bedingungen der Beleuchtungssituation gemäß Schritt a) auch unter Bedingungen einer Kalibrierungsbeleuchtungssituation, die wiederrum Laborbedingungen sein können, durchgeführt werden. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Beleuchtungssituation und die Kalibrierungsbeleuchtungssituation identisch sind oder in Schritt a) die Beleuchtungssituation bestimmt wird und Unterschiede zwischen der Beleuchtungssituation und der Kalibrierungsbeleuchtungssituation bei der Bestimmung der Bildinformationen in Schritt d) über einen oder mehrere Korrekturfaktoren berücksichtigt werden.

Der Kalibrierungsschritt kann grundsätzlich für mehrere gemäß dem Verfahren durchgeführte Messungen verwendet werden. Ein Aktualisierung einer Kalibrierung kann beispielsweise notwendig sein, wenn sich die Beleuchtungssituation ändert oder die Art der Verschmutzung, beispielsweise andere Staubsorten eine Verschmutzung hervorrufen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Verschmutzungsgrad einer Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls auf besonders einfache Art und Weise bestimmt werden. Dabei wird der Verschmutzungsgrad durch die Verwendung des ersten Farbkanals, der das rote oder einen Teil des roten Farbspektrums abbildet, besonders genau bestimmt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt d) die Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels mindestens des das rote oder einen Teil des roten Farbspektrums abbildendenden ersten Farbkanals der Kamera oder mittels mindestens des das grüne oder einen Teil des grünen Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera und zusätzlich mittels eines weiteren Farbkanals der Kamera bestimmt werden, wobei die Bildkanalinformationen des ersten Farbkanals und die Bildkanalinformationen des weiteren Farbkanals zueinander gewichtet sind. Der weitere Farbkanal kann beispielsweise ein Farbkanal sein, der das blaue Farbspektrum oder einen Teil des blauen Farbspektrums abbildet. Der weitere Farbkanal kann verwendet werden, wenn die definierte dunkle Fläche ungewöhnlich hell ist, oder wenn die Reflexionen des Photovoltaik-Moduls ungewöhnlich dunkel sind. Ferner kann mittels der Gewichtung des ersten Farbkanals und des weiteren Farbkanals zueinander eine Anpassung der Bildinformation der Bilddaten erfolgen, sodass der Verschmutzungsgrad der Oberfläche besonders genau bestimmt werden kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt d) der mindestens eine das rote oder einen Teil des roten Farbspektrums abbildenden ersten Farbkanal einen Abschnitt des roten Farbspektrums im Wellenlängenbereich 590 nm < A < 1400 nm abbildet. Es hat sich gezeigt, dass dieser Wellenlängenbereich besonders vorteilhaft für das Bestimmen von Bildkanalinformationen aus den Bilddaten geeignet ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach Schritt b) eine Vignettierungskorrektur der Bilddaten zum Ausgleich von durch eine Kameraoptik gedingten Randlichtabfall erfolgt. In Abhängigkeit von dem verwendeten Objektiv und der verwendeten Blende der Kamera treten in den Randbereichen der Rohbilder ungewünschte Helligkeitsartefakte auf. Diese durch einen Randlichtabfall hervorgerufenen ungewünschten Artefakte können mittels einer Vignettierungskorrektur ausgeglichen werden. Die Bilddaten weisen somit nach der Vignettierungskorrektur weniger Helligkeitsartefakte auf und eignen sich anschließend besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche in Unterbereiche unterteilt werden, wobei die Schritte d) und e) für jeden Unterbereich durchgeführt werden. Durch die Unterteilung der bestimmten Bereiche oder Teilbereiche in Unterbereiche kann der Verschmutzungsgrad der einzelnen Unterbereiche bestimmt werden, sodass eine höher aufgelöste räumliche Zuordnung der einzelnen Verschmutzungsgrade zu den jeweiligen Positionen der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls ermöglicht wird. Mit anderen Worten: Durch die Unterteilung in Unterbereiche kann der Verschmutzungsgrad genauer lokalisiert werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Unterbereiche an Abschnitte des Photovoltaik-Moduls angepasst sind. Ein Photovoltaik-Modul kann beispielsweise mehrere Solarzellen aufweisen. Durch das Anpassen der Unterbereiche an Abschnitte des Photovoltaik-Moduls kann somit die Verschmutzung einzelner Solarzellen in einem Photovoltaik-Modul bestimmt werden. Somit kann die Verschmutzung eines Photovoltaik-Moduls besonders vorteilhaft einzelnen Solarzellen zugeordnet werden, sodass beispielsweise eine Reinigung oder ein Wartungsvorgang gezielt an dem Bereich der jeweiligen verschmutzten Solarzelle durchgeführt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Schritt b) ausgewählte Bilddaten ausgeschlossen werden. Werden mehrere Bilddaten aufgenommen, kann der Fall auftreten, dass einzelne Bilddaten aufgrund von vereinzelt auftretenden Messfehlern nicht für die Bestimmung eines Verschmutzungsgrades geeignet sind. Ein derartiger Messfehler kann beispielsweise ein direkter Sonnenreflex, der von einem Modul reflektiert wird, oder eine andere unerwünschte Reflexion sein. Durch das Ausschließen ausgewählter ungeeigneter Bilddaten werden die Verfahrensschritte c) bis e) nur noch mit Bilddaten durchgeführt, die kein unerwünschten Reflexionen aufweisen, so dass Messfehler vermieden werden. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders genau und effizient durchgeführt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schritte a) bis e) wiederholt durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise bei jeder Wiederholung das Positionieren der Kamera oder das Justieren der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls gemäß Schritt a) bei einem unterschiedlichen Aufnahmewinkel der Kamera erfolgen. Dabei ist ein wiederholtes Durchführen das Kalibrierungsschrittes gemäß Schritt e) nicht unbedingt notwendig, eine genauere Bestimmung des Verschmutzungsgrades wird jedoch mit einem wiederholt durchgeführten Kalibrierungsschritt erzielt.

Der Kalibrierungsschritt kann getrennt von der Auswertung erfolgen oder im Rahmen der Auswertung. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass gleichzeitig Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls und eines weiteren Moduls, mittels dem die Referenzwerte bestimmt werden, aufgenommen werden.

Da die jeweiligen Bildkanalinformationen der Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls abhängig von dem Aufnahmewinkel der Kamera sind, ändert sich mit einem veränderten Aufnahmewinkel der Kamera entsprechend der durch die Kamera empfangene Anteil des an der Verschmutzung der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls gestreuten Lichts. Die Bilddaten verschmutzter Photovoltaik-Mo- dule können mit Bilddaten eines sauberen Moduls verglichen werden. Dadurch kann grundsätzlich auf den Anteil des gestreuten Lichts geschlossen werden. Durch den Vergleich zu einem Photovoltaik-Modul mit bekannter Verschmutzung kann der Zusammenhang zwischen Verschmutzung und Streulicht in Abhängigkeit von Aufnahmewinkel der Kamera und der Beleuchtungssituation modelliert werden. Mit dieser Kalibrierung kann für jede auszuwertenden Bereich ein Verschmutzungsgrad errechnet werden. Dadurch kann der Verschmutzungsgrad der der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls besonders genau und unabhängig vom Aufnahmewinkeln der Kamera bestimmt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mittels des Verschmutzungsgrades ein durch Verschmutzung der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls hervorgerufener Leistungsverlust bestimmt wird. Die Verschmutzung führt in der Regel zu einem Leistungsverlust des Photovoltaik-Moduls, der jedoch nicht ausschließlich mit dem Verschmutzungsgrad der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls korreliert. So können Leistungsverluste beispielsweise auch durch Verschattungen der des Photovoltaik- Moduls, durch korrodierte Kontakte des Photovoltaik-Moduls oder durch anderweitige Defekte des Photovoltaik-Moduls hervorgerufen werden. Dennoch führt eine regelmäßige Verschmutzung beispielsweise durch natürliche Ereignisse wie Staubbildung an der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zu Leistungsverlusten. Insbesondere ist auch das Verschmutzungsmuster von Relevanz, d.h. wie eine gegebene Menge Schmutz auf dem Photovoltaik-Modul verteilt ist. In diesem Fall ist beispielsweise im Allgemeinen der elektrische Leistungsverlust des Photovoltaik-Moduls ungleich einem gemittelten optischen Verlust. Wenn der MPP (maximum power point) für jedes Photovoltaik-Modul getrackt wird, kann der nicht-lineare Zusammenhang auf Modulebene berechnet werden. Wenn beispielsweise mehrere Module miteinander (meist in Serie) verschaltet sind, kann die Berechnung des elektrischen Verlustes auf Ebene dieser Modul-Verschaltung erfolgen.

Wird der durch die Verschmutzung der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls hervorgerufene Leistungsverlust des Photovoltaik-Moduls bestimmt, kann evaluiert werden, ob der Gesamtleistungsverlust eines Photovoltaik-Moduls durch Verschmutzung oder durch anderweitige Einflüsse hervorgerufen wird. Somit kann in vorteilhafter Weise entschieden werden, ob das verschmutzte Photovoltaik-Modul einer Reinigung oder einer Wartung bedarf. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Kalibrierungsschritt mit Referenzmessungen des Verschmutzungsgrades erfolgt, die von einer Testfläche mit einer vorgegebenen bzw. bekannten Verschmutzung aufgenommen wurden. Eine derartige Testfläche kann beispielsweise die Oberfläche eines Referenz-Photovoltaik-Moduls sein. Die Referenzmessungen des Verschmutzungsgrades können dabei durch Umwelteinflüsse über einen bestimmten Zeitraum erzeugt worden sein. So kann beispielsweise das Referenz- Photovolta ik- Modul über einen Zeitraum von einem Monat nicht gereinigt werde. Anschließend wird an diesem Referenz-Photovoltaik-Modul eine Referenzmessung des Verschmutzungsgrades erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Bildinformationen mit der Referenzmessung des Referenz-Photovoltaik-Moduls abgeglichen. Somit können die Verschmutzungsgrade von Oberfläche von Photovol- taik-Modulen, die beispielsweise an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, miteinander verglichen werden. Ausgehend von diesem Vergleich können anschließend in vorteilhafter Weise Rückschlüsse von der Verschmutzung der Testfläche auf die Verschmutzung der zu untersuchenden Oberfläche eines Photovoltaik-Mo- duls gezogen werden, zum Beispiel, ob die zu untersuchende Oberfläche stärker und oder schwächer verschmutzt ist als die Testfläche.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die vorgegebene bzw. bekannte Verschmutzung der Testfläche eine weitestgehend homogene Verteilung aufweist. Die durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Verteilung der Verschmutzung auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls ist üblicherweise nicht homogen verteilt. So kann beispielsweise in einer Ecke der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mehr Staub abgelagert sein als in einer anderen Ecke, bedingt durch natürliche Luftverwirbelungen die im Bereich der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls auftreten. Zur verbesserten Vergleichbarkeit der Verschmutzung der Referenzmessungen mit den Bildinformationen der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls eignet sich jedoch eine homogene Verschmutzungsverteilung. Durch die homogene Verschmutzungsverteilung wird somit ein einheitlicher Vergleichswert geschaffen, mit dem die Verschmutzungsgrade der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls besonders vorteilhaft bestimmt werden können.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die in Schritt d) bestimmten Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels des mindestens einen ersten Farbkanals der Kamera zur Bildung einer durchschnittlichen Bildkanalinformation für die in Schritt c) bestimmten Bereiche verwendet werden, wobei die durchschnittliche Bildkanalinformation für die Bestimmung der Bildinformationen der Bilddaten für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche verwendet wird. Es kann sinnvoll sein, den Verschmutzungsgrad mittels mehrerer Bildkanalinformationen des ersten Farbkanals zu bestimmen, die beispielsweise durch das wiederholt durchgeführte Verfahren erzeugt werden, da auf diese Weise der Einfluss von Messfehlern reduziert werden kann. Mit der steigenden Anzahl der Bildkanalinformationen steigt jedoch auch der Rechenaufwand und damit die Verarbeitungszeit, die notwendig ist, um aus den mehreren Bildkanalinformationen die Bildinformationen zu bestimmen, die wiederum zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades verwendet werden. Durch die Bildung einer durchschnittlichen Bildkanalinformation werden die Bildkanalinformationen mehrerer Messungen beispielsweise arithmetisch gemittelt und zusammengefasst, sodass der Rechen- und Zeitaufwand bei der Bestimmung der Bildinformationen reduziert wird. Zusätzlich wird der Einfluss fehlerhafter Bildkanalinformationen, die beispielsweise durch die Aufnahme eines Sonnenreflexes oder einer anderen Reflexion in Schritt b) entstehen und die nicht auf andere Art und Weise ausgefiltert oder berücksichtigt werden, bei der Bildung der durchschnittlichen Bildkanalinformation verringert, da diese durch die Durchschnittsbildung herausgemittelt werden. Durch die Bildung der durchschnittlichen Bildkanalinformation kann das erfindungsgemäße Verfahren somit unempfindlicher gegenüber Messfehlern durchgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kamera an einem Turm oder an einem Flugobjekt positioniert wird. Grundsätzlich kann auch eine beliebige Überwachungskamera, die beispielsweise bereits bei einer Solaranlage oder einem Solarkraftwerk vorhanden ist, verwendet werden. Durch die Positionierung der Kamera an einem Turm wird eine konstante Aufnahmebedingung geschaffen, bei der die Kamera aus einer erhöhten Position auf die Oberfläche des Photovoltaik-Moduls gerichtet ist. Somit können die Bilddaten in Schritt b) besonders vorteilhaft aufgenommen werden. Es kann jedoch auch gewünscht sein, die Kamera in bestimmten Fällen flexibel positionieren zu können, wenn die Bilddaten beispielsweise mit einem unterschiedlichen Aufnahmewinkel der Kamera aufgenommen werden sollen oder wenn der Verschmutzungsgrad von größeren Flächen zu bestimmen ist. Zu diesem Zweck kann die Kamera an einem Flugobjekt positioniert werden. Das Flugobjekt kann unbemannt sein und über eine Fernsteuerung gesteuert werden. Auch besteht die Möglichkeit, dass das Flugobjekt automatisch einer zuvor bestimmten Route, etwa einem Kuppelflug, folgt. Durch die Positionierung der Kamera an einem Turm oder einem Flugobjekt kann das erfindungsgemäße Verfahren somit unter konstanten Aufnahmebedingungen oder flexibel durchgeführt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kalibrierungsschritt mit Referenzmessungen des Verschmutzungsgrades erfolgt, wobei die Referenzmessungen Informationen über die Art der Verschmutzung berücksichtigen. Die Oberfläche des Photo- voltaik-Moduls kann auf verschiedene Arten verschmutzt werden, etwa durch Staub oder Regenrückstände. Insbesondere in den trockenen Regionen Südeuropas und Nordafrikas bildet sich über die Zeit eine unterschiedlich ausgeprägte Staubschicht auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls. Durch die Informationen über die Art der Verschmutzung kann eruiert werden, wie der bestimmte Verschmutzungsgrad nach einem Abgleich mit einer Referenzmessungen zu interpretieren ist, bei der ein Verschmutzungsgrad aus einer beispielsweise vier Wochen lang nicht gereinigten Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls verwendet wurde. Durch die Informationen über die Art der Verschmutzung kann der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Verschmutzungsgrad somit aussagekräftiger interpretiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei dem Kalibrierungsschritt für die Bestimmung der Referenzwerte eine maximale Ausgangsleistung eines verschmutzten Photovoltaik-Moduls eines Solarkraftwerkes bestimmt wird und die maximale Ausgangsleistung des verschmutzten Moduls mit der maximalen Ausgangsleistungen eines unverschmutzten Moduls ins Verhältnis gesetzt wird und anschließend mit dem entsprechenden Leistungsverhältnis, wenn beide Module unverschmutzt sind, verglichen wird. Die Ausgangsleistung eines Moduls kann neben der Verschmutzung auch durch weitere Einflüsse wie etwa defekte Zellen, korrodierte Kontakte oder Verschattungen beeinträchtigt werden. Durch das Bestimmen der maximalen Ausgangsleistung eines verschmutzen Moduls, und den anschließenden Vergleich der maximalen Ausgangsleistung eines unverschmutzten Moduls, kann eruiert werden, ob eine potenzielle Leistungseinbuße durch die Verschmutzung oder durch andere Einflüsse hervorgerufen wird. Das un verseh mutzte Modul sollte zu diesem Zweck nicht nur un verseh mutzt, sondern auch nicht durch weitere Einflüsse wie defekte Zellen, korrodierte Kontakte oder Verschattungen beeinträchtigt sein. Das unverschmutzte Modul weist demnach einen Optimalzustand auf. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit durch den Vergleich der maximalen Ausgangsleistung eines verschmutzten Moduls mit der maximalen Ausgangsleistung eines unverschmutzten Moduls die Einflussfaktoren auf die maximale Ausgangsleistung eines Moduls bestimmen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für das verschmutzte und das un verseh mutzte Photovoltaik-Modul Module gleicher Bauart, d.h. zumindest vom gleichen Zelltyp, verwendet werden. Die maximale Ausgangsleistung eines Moduls variiert mit der Bauart des jeweiligen Moduls. Werden Module gleicher Bauart verwendet, können diese in vorteilhafter Weise miteinander vergleichen werden und der Verschmutzungsgrad kann besonders genau bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, den Verschmutzungsgrad von Photovoltaik-Modulen auf eine einfache Art und Weise und sehr genau zu berechnen, wobei eine Auflösung pro Solarzelle des Photovoltaik-Moduls möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine verbesserte Überwachung von Solarkraftwerken.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades einer Oberfläche eines Photovoltaik-Moduls einer Solaranlage oder eines Solarkraftwerkes mit folgenden Schritten: a) Auswahlen und Bereitstellen einer definierten dunklen Fläche, Positionieren einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera oder Justieren der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls derart, dass ein Abbild der dunklen Fläche aus Sicht einer mehrere Farbkanäle aufweisenden Kamera auf der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls erscheint, und

Beleuchten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit Licht, wobei eine bekannte oder vorgegebene Beleuchtungssituation erzeugt wird, b) Aufnahme von Bilddaten der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls mit der Kamera, c) Bestimmen von Bereichen eines aus den Bilddaten bestehenden Bildes oder mehrerer aus den Bilddaten bestehenden Bilder, die die Reflektion der dunklen Fläche in der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls zeigen, d) Bestimmen von Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels mindestens eines das rote oder einen Teil des roten Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera oder mittels mindestens eines das grüne oder einen Teil des grünen Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera, wobei mittels der Bildkanalinformationen Bildinformationen der Bilddaten für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche bestimmt werden, und e) Bestimmen des Verschmutzungsgrades der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls aus den Bildinformationen für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder der Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche; wobei in einem Kalibrierungsschritt die Bildinformationen mit Referenzwer- ten des Verschmutzungsgrades abgeglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels mindestens des das rote oder einen Teil des roten Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera oder mittels mindestens des das grüne oder einen Teil des grünen Farbspektrum abbildenden ersten Farbkanals der Kamera und zusätzlich mittels eines weiteren Farbkanals der Kamera bestimmt werden, wobei die Bildkanalinformationen des ersten Farbkanals und die Bildkanalinformationen des weiteren Farbkanals zueinander gewichtet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) der mindestens eine das rote oder einen Teil des roten Farbspektrum abbildenden erste Farbkanal einen Abschnitt des roten Farbspektrums im Wellenlängenbereich 590 nm < A < 1400 nm abbildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) eine Vignettierungskorrektur der Bilddaten zum Ausgleich von durch eine Kameraoptik bedingten Randlichtabfall erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche in Unterbereiche unterteilt werden, wobei die Schritte d) und e) für jeden Unterbereich durchgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbereiche an Abschnitte des Photovoltaik-Moduls angepasst sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) ausgewählte Bilddaten ausgeschlossen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) wiederholt durchgeführt werden, wobei bei jeder Wiederholung das Positionieren der Kamera oder das Justieren der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls gemäß Schritt a) bei einem unterschiedlichen Aufnahmewinkel der Kamera erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verschmutzungsgrades ein durch Verschmutzung der Oberfläche des Photovoltaik-Moduls hervorgerufener Leistungsverlust bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungsschritt mit Referenzmessungen des Verschmutzungsgrades erfolgt, die von einer Testfläche mit einer vorgegebenen Verschmutzung aufgenommen wurden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Verschmutzung der Testfläche eine weitestgehend homogene Verteilung der Verschmutzung aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) bestimmten Bildkanalinformationen aus den Bilddaten mittels des mindestens einen ersten Farbkanals der Kamera zur Bildung einer durchschnittlichen Bildkanalinformation für die in Schritt c) bestimmten Bereiche verwendet werden, wobei die durchschnittliche Bildkanalinformation für die Bestimmung der Bildinformationen der Bilddaten für die in Schritt c) bestimmten Bereiche oder Teilbereiche der in Schritt c) bestimmten Bereiche verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera an einem Turm oder an einem Flugobjekt positioniert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungsschritt mit Referenzmessungen des Verschmutzungsgrades erfolgt, wobei die Referenzmessungen Informationen über die Art der Verschmutzung berücksichtigen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kalibrierungsschritt für die Bestimmung der Referenzwerte eine maximale Ausgangsleistung eines verschmutzten Photovoltaik-Moduls bestimmt wird und die maximale Ausgangsleistung des verschmutzten Moduls mit der maximalen Ausgangsleistungen eines unverschmutzten Moduls ins Verhältnis gesetzt wird und anschließend mit dem entsprechenden Leistungsverhältnis, wenn beide Module unverschmutzt sind, verglichen wird, wobei vorzugsweise für das verschmutzte und das unverschmutzte Photo- voltaik-Modul Module gleicher Bauart verwendet werden.