1. Elektrothermische Grundlagen
Physikalisches Prinzip: Warum defekte Solarzellen Wärme abstrahlen
Photovoltaikmodule bestehen aus 60, 72 oder 144 in Reihe geschalteten Silizium-Solarzellen, die ihrerseits auf dem Dach oder im Solarpark zu langen Modulsträngen (Strings) verbunden sind. In einer intakten Anlage wandeln alle Zellen die eintreffende solare Strahlung gleichmäßig in elektrischen Gleichstrom um und weisen im Betrieb eine homogene Oberflächentemperatur auf.
Bereits die allgemeine Betriebstemperatur beeinflusst die Leistungsausbeute unmittelbar: Durch den negativen Temperaturkoeffizienten kristalliner Siliziumzellen (ca. -0,4 % bis -0,5 % pro Kelvin oberhalb von 25 °C Standard-Testbedingungen) führt jede Temperaturerhöhung um 10 °C zu rund 5 % Ertragsverlust. Noch gravierender wirkt sich jedoch eine lokale Widerstandserhöhung in einzelnen Zellen aus.
Weist eine einzelne Zelle einen Mikroriss (etwa durch Transportschäden, Montagebelastung oder Hagelschlag), einen Lötbändchenbruch, eine Delamination oder eine Teilverschattung auf, sinkt ihre Stromtragfähigkeit. Da die intakten Nachbarzellen im selben String weiterhin den vollen Betriebsstrom durch diese geschwächte Zelle pressen, kehrt sich deren Spannung um (Sperrbetrieb): Die defekte Zelle wirkt plötzlich nicht mehr als Stromerzeuger, sondern als ohmscher Verbraucher. Die eingespeiste elektrische Leistung wird punktuell in Joulesche Verlustwärme umgewandelt – es entsteht ein Hotspot, der im radiometrischen Wärmebild als deutliche Temperaturanomalie sichtbar wird.
Der entscheidende Vorteil der Drohnen-Thermografie: Die Untersuchung erfolgt berührungslos aus der Luft und zwingend im laufenden Einspeisebetrieb unter Last. Es müssen weder Strings freigeschaltet noch empfindliche Steildächer oder Leichtbaudächer von Industriehallen betreten werden.
2. Messbedingungen
Messbedingungen: Einstrahlung, Winkel & Emissionsgrad
Nicht jedes bunte Wärmebild einer Solaranlage ist für Gewährleistungsansprüche gegenüber Modulherstellern oder für den Nachweis bei Sachversicherern verwertbar. Entscheidend sind die Wetter- und Kamerabedingungen während des Flugs. Darauf achten wir:
- Bestrahlungsstärke ≥ 600 W/m²: Nur bei kräftiger, stabiler Sonneneinstrahlung in der Modulebene fließt ein ausreichend hoher Stringstrom, damit sich Zellwiderstände als messbare Temperaturdifferenz (ΔT) ausbilden.
- Geringe Windgeschwindigkeit (< 4 Bft / ≤ 28 km/h): Starker Wind kühlt die Glasoberfläche der Module konvektiv herunter und verwischt kleinere thermische Gradienten.
- Orthogonaler Betrachtungswinkel (60° bis 90°): Solarglas besitzt einen vom Blickwinkel abhängigen Emissionsgrad (ε ≈ 0,85 bis 0,90). Blickt man zu flach auf das Modul, spiegelt das Glas die kalte Himmelsstrahlung; blickt man exakt im Lot (90°), kann sich die Drohne selbst spiegeln. Unsere Flugplanung hält den optimalen Winkelkorridor konstant ein.
- Bodenauflösung ≤ 3,0 cm/px: Jede einzelne Solarzelle (ca. 15,6 × 15,6 cm bzw. Halbzelle) muss durch mindestens 5 × 5 echte Kamerapixel des ungekühlten Mikrobolometers (640 × 512 px) abgedeckt werden, um geometrische Fehlmessungen (Spot-Size-Effect) auszuschließen.
| Thermisches Fehlerbild | Typische Temperaturdifferenz (ΔT) | Elektrische Ursache | Ertragsverlust & Handlungsbedarf |
|---|---|---|---|
| Einzelzell- / Multizell-Hotspot | +20 K bis > +50 K | Zellbruch, Mikrorisse, Lötstellenabriss, Delamination | Akute Brandgefahr bei > 85 °C, Modultausch / Garantieanspruch |
| Bypass-Diode / Substring | +10 K bis +25 K (1/3 Modul) | Kurzgeschlossene Bypass-Diode in der Anschlussdose | 33 % bis 66 % Leistungsverlust am Modul, Dioden-/Modultausch |
| PID-Schachbrettmuster | +5 K bis +18 K (rahmennah) | Potenzialinduzierte Degradation am negativen Stringende | Schleichender String-Ertragsverlust bis 30 %, PID-Offset-Box prüfen |
| Leerlauf-String (Open Circuit) | +3 K bis +7 K (flächig) | Sicherung ausgelöst, MC4-Stecker offen, Marderbiss | 100 % Ertragsausfall des gesamten Strings, Verkabelung prüfen |
| Schein-Hotspot (Abschattung) | +10 K bis +35 K (punktuell) | Vogelkot, Laub, Flechtenrand, Schornsteinschatten | Identifikation per RGB-Sichtbild: gezielte Modulreinigung |
3. Fehlerdiagnose im Detail
Thermische Fehlerbilder: Vom Mikroriss über PID bis zum String-Ausfall
Anhand der räumlichen Ausprägung und der gemessenen Temperaturdifferenz (ΔT gegenüber benachbarten Referenzmodulen unter identischer Einstrahlung) unterscheiden unsere Prüfer vier Hauptkategorien:
1. Einzelzell- und Multizell-Hotspots
Kritisch ab ΔT > 20 KPunktuelle Überhitzung einzelner Zellen um 20 bis über 50 Kelvin. Ursachen sind Zellbrüche, Delamination der EVA-Einbettungsfolie oder abgerissene Busbars. Dauerhafte Temperaturen über 85 °C zerstören die Rückseitenfolie, führen zu Isolationsfehlern und stellen auf Industriedächern ein unmittelbares Brandrisiko dar.
2. Aktivierte oder defekte Bypass-Dioden
33 % bis 66 % Leistungsverlust am ModulZeigt sich im Wärmebild exakt ein Drittel (oder zwei Drittel) eines Moduls als linear erwärmter Längsstreifen bzw. ist die Anschlussdose auf der Modulrückseite stark überhitzt, hat eine Bypass-Diode im Kurzschluss durchgeschaltet. Das betroffene Modulsegment liefert keinen Strom mehr.
3. Spannungsinduzierte Degradation (PID)
Schachbrett-Muster am negativen StringendeEin schachbrettartiges Erwärmungsmuster vor allem an den rahmennahen Zellen am negativen Pol eines Strings deutet auf Potenzialinduzierte Degradation (PID) hin. Leckströme über den geerdeten Aluminiumrahmen mindern den Parallelwiderstand der Zellen und lassen die Anlagenleistung schleichend um bis zu 30 % einbrechen.
4. Kompletter String- oder Modul-Leerlauf
Flächiges ΔT von +3 bis +7 KIst eine gesamte Modulreihe flächig um etwa 4 bis 7 Kelvin wärmer als der Nachbarstring, befindet sich der Strang im elektrischen Leerlauf (Open Circuit): Die absorbierte Sonnenenergie wird nicht als elektrischer Strom zum Wechselrichter abgeführt, sondern verbleibt als Wärme im Modul. Ursache sind meist ausgelöste Stringsicherungen, verschmorte MC4-Steckverbinder oder Marderbisse.
4. Vermeidung von Fehldiagnosen
Warum Infrarot allein nicht reicht: Der zwingende RGB-Sichtabgleich
Ein häufiger Fehler bei unqualifizierten Thermografie-Flügen ist die Verwechslung von äußerer Verschmutzung mit einem Modulaustauschfall. Liegt ein hartnäckiger Vogelkotfleck, ein nasses Laubblatt oder ein feiner Schornsteinschatten auf einer Solarzelle, wird diese Zelle abgeschattet, geht in den Sperrbetrieb und leuchtet im Wärmebild exakt wie ein echter Zellbruch.
Deshalb fliegen wir bei AirSpects ausschließlich mit synchronisierter Dual-Sensorik (Radiometrisches LWIR + hochauflösendes RGB). Für jeden detektierten Hotspot legen wir im Prüfbericht das Wärmebild und das scharfe Tageslichtfoto direkt nebeneinander:
- Sichtbare Auflagerung im RGB-Bild (Vogelkot, Moosrand, Staubkante): Empfehlung zur gezielten Modulreinigung statt unnötigem Modultausch.
- Glasbruch, Hagel-Einschlagkrater, Schneckenspuren oder Delamination im RGB-Bild: Sofortiger Nachweis für die Elektronik- bzw. Allgefahrenversicherung.
- Vollkommen saubere Glasoberfläche im RGB-Bild bei massivem Hotspot im IR-Bild: Eindeutiger interner Produktions- oder Zelldefekt – direkt verwertbar für den Garantie- bzw. Gewährleistungsanspruch gegenüber Errichter oder Hersteller.
5. Prüfzeitpunkte & Nachweisführung
Optimale Prüfzeitpunkte, Gewährleistungsfristen und Versicherungsnachweis
Sowohl bei größeren Eigenheimanlagen als auch auf Gewerbedächern und in Solarparks deckt eine systematische Drohnen-Thermografie ausgefallene Module, defekte Bypass-Dioden oder verkabelungsbedingte String-Fehler frühzeitig auf. Besonders zu drei Zeitpunkten ist die Befliegung unverzichtbar:
- Inbetriebnahme-Check (Nullmessung): Unmittelbar nach Montage deckt der Erstflug nicht gesteckte Strings, falsch gepolte Anschlüsse und Transportschäden auf, bevor die Anlage abgenommen wird.
- Vor Ablauf der 2- bzw. 5-jährigen Gewährleistung: Werden Serienfehler oder Bypass-Dioden-Ausfälle noch innerhalb der gesetzlichen Gewährleistungsfrist mit einem georeferenzierten Prüfbericht dokumentiert, lassen sich Garantieansprüche gegenüber Errichter oder Hersteller belastbar durchsetzen.
- Wiederkehrende Prüfung & nach Unwettern: Viele Gebäude- und Ertragsausfallversicherer berücksichtigen regelmäßige Thermografie-Protokolle oder verlangen sie nach schweren Hagel- und Sturmereignissen als Schadensnachweis.
6. Fachfragen & Antworten
Häufige Fragen zur PV-Thermografie per Drohne
Warum erkennt das Monitoring am Wechselrichter viele Moduldefekte nicht? +
Wechselrichter überwachen in der Regel nur die summierten Spannungs- und Stromwerte ganzer Strings (Reihenschaltungen aus 15 bis 24 Modulen). Fällt an einem einzelnen Modul eine Bypass-Diode aus oder entwickelt sich ein lokaler Zell-Hotspot, sinkt die Gesamtleistung des Strings oft nur um 1 bis 3 % – das geht im normalen Wetter- und Einstrahlungsrauschen unter, während die betroffene Zelle bereits Temperaturen von über 90 °C erreicht.
Wann ist der beste Zeitpunkt für eine PV-Thermografie? +
Entscheidend ist eine stabile Sonneneinstrahlung von mindestens 600 W/m² auf der Modulebene, damit die Anlage unter hoher elektrischer Last arbeitet. In Sachsen und Mitteldeutschland liegen die idealen Messfenster zwischen März und September an wolkenarmen Tagen zwischen 10:00 und 16:00 Uhr. Besonders sinnvoll ist eine Prüfung vor Ablauf der Gewährleistung nach Neuinstallation.
Wie werden harmlose Verschmutzungen von echten Zellschäden unterschieden? +
Unsere Drohnen nehmen zu jedem radiometrischen Wärmebild zeitgleich ein hochauflösendes RGB-Sichtbild aus exakt demselben Winkel auf. So sehen unsere Prüfer sofort, ob ein erwärmter Bereich durch Vogelkot, Laub, Kamin-Schlagschatten oder Flechtenbewuchs (Schein-Hotspot durch Abschattung) verursacht wird oder ob bei sauberer Glasoberfläche ein interner Zelldefekt bzw. Lötbändchenbruch vorliegt.