Non-invasive electroluminescence and photoluminescence imaging through module-level electronics in photovoltaic power plants

Abstract

Photovoltaic technology has experienced a rapid increase in global capacity in recent years, becoming one of the renewable technologies with the highest growth potential. Proper maintenance and operation of PV power plants require module inspection techniques to detect faults and analyse degradation, which could reduce power output or pose safety risks. Among the most common inspection methods for field-deployed modules are current–voltage curve tracing, infrared thermography, and luminescence imaging. Luminescence imaging (electroluminescence and photoluminescence) is particularly valuable, as it reveals the inner structure of solar cells, enabling fault detection and performance analysis, although its integration in PV plants is limited by practical constraints. Conventional luminescence imaging relies on EL signal acquisition in dark conditions, requiring module disconnection, external power supplies, and nighttime measurements. These requirements make it invasive, time-consuming, and logistically complex, unsuitable for inspecting thousands of modules. Novel approaches overcome these limitations by enabling measurements under daylight without disconnection, typically through modulation of electroluminescence or photoluminescence signals and post-processing to remove sunlight signal. This thesis explores a technique based on module-level electronic devices to enhance signal modulation. For this purpose, an electronic architecture has been designed and validated, enabling the modulation of both electroluminescence and photoluminescence signals. By installing this device in each module where modulation is required, non-invasive electroluminescence and photoluminescence imaging can be achieved. Moreover, these measurements do not require external energy sources such as power supplies, and image acquisition can be performed during daytime while the photovoltaic power plant operates under normal conditions. In addition, different approaches for processing image sequences acquired during luminescence signal modulation have been explored. First, time-domain processing has been studied using two strategies: a synchronous strategy, which requires continuous communication between the electronic device that modulates the signal and the camera that captures the images, allowing direct labelling of each picture according to its emission state; and an asynchronous strategy, which does not require continuous communication but instead relies on an algorithm to automatically classify the images. Secondly, frequency-domain processing based on the Fast Fourier Transform has been successfully validated, enabling background removal when the luminescence signal is modulated using any periodic waveform. Finally, photoluminescence signal modulation has been integrated into the topology of a module-level PV optimizer. In addition, current–voltage curve tracing has also been incorporated. Taken together, a module-level electronic device with extended functionalities and only minor hardware modifications has been developed and validated. The device integrates maximum power point tracking alongside non-invasive photoluminescence modulation and non-invasive current-voltage curve tracing, two inspection techniques that are conventionally invasive.

La tecnología fotovoltaica ha experimentado un rápido aumento de capacidad mundial en los últimos años, convirtiéndose en una de las energías renovables con mayor potencial de crecimiento. El mantenimiento y operación de las plantas fotovoltaicas requieren técnicas de inspección para detectar fallos y analizar degradación, que pueden reducir la producción de energía o generar riesgos de seguridad. Entre los métodos más comunes para módulos en campo están el trazado de curvas de corriente y tensión, la termografía infrarroja y las imágenes de luminiscencia. Las imágenes de luminiscencia (electroluminiscencia y fotoluminiscencia) son valiosas, pues revelan la estructura interna de las células solares, permitiendo detectar fallos y analizar rendimiento, aunque su integración en plantas fotovoltaicas sigue limitada por restricciones prácticas. Las imágenes de luminiscencia convencional se basan en la adquisición de la señal de electroluminiscencia en condiciones de oscuridad, requiriendo la desconexión de módulos, fuentes de alimentación externas y mediciones nocturnas. Estos requisitos hacen que el método sea invasivo, lento y logísticamente complejo, inadecuado para inspeccionar los miles de módulos de una planta moderna. Los enfoques novedosos superan estas limitaciones al permitir mediciones diurnas sin desconexión, generalmente mediante la modulación de señales de luminiscencia y un procesamiento posterior para eliminar la señal solar. La presente tesis explora una técnica basada en dispositivos electrónicos a nivel de módulo para lograr dicha modulación. Para ello, se ha diseñado y validado una arquitectura electrónica que permite la modulación de señales tanto de electroluminiscencia como de fotoluminiscencia. La instalación de este dispositivo en cada módulo permite realizar imágenes de electroluminiscencia y fotoluminiscencia de manera no invasiva. Además, estas mediciones no requieren fuentes de energía externas y las medidas pueden realizarse durante el día mientras la planta fotovoltaica opera en condiciones normales. Asimismo, se han explorado diferentes estrategias para procesar las secuencias de imágenes obtenidas durante la modulación de la señal de luminiscencia. Primero, se ha estudiado el procesamiento en el dominio del tiempo con dos enfoques: una estrategia síncrona, que requiere comunicación continua entre el dispositivo que modula la señal y la cámara, permitiendo etiquetar cada imagen según su estado de emisión; y una estrategia asíncrona, que no requiere comunicación continua y se basa en un algoritmo para clasificar automáticamente las imágenes. En segundo lugar, se ha validado con éxito el procesamiento en el dominio de la frecuencia, basado en la transformada rápida de Fourier, que permite eliminar la señal de fondo cuando la luminiscencia se modula con cualquier forma de onda periódica. Finalmente, la modulación de la señal de fotoluminiscencia se ha integrado en la topología de un optimizador fotovoltaico a nivel de módulo. Además, también se ha incorporado el trazado de curvas de corriente y tensión. En conjunto, se ha desarrollado y validado un dispositivo electrónico a nivel de módulo con funcionalidades ampliadas y modificaciones de hardware mínimas. Este dispositivo integra el seguimiento del punto de máxima potencia junto con la modulación de fotoluminiscencia y el trazado de curvas de corriente y tensión de manera no invasiva, dos técnicas de inspección que convencionalmente son invasivas.