無人機(jī)在光伏組件巡視檢查中的應(yīng)用分析

王栓虎，溫向煒

(內(nèi)蒙古京能烏蘭伊力更風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，巴彥淖爾 015300)

0 引言

近幾年，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電并網(wǎng)給光伏電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來了巨大壓力。由于光伏發(fā)電設(shè)備屬于分散式發(fā)電設(shè)備，具有設(shè)備數(shù)量多、占地面積大的特點(diǎn)，且大部分光伏電站地處荒漠、山地、水上及采礦沉降區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，因此光伏電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)較為復(fù)雜和困難。而光伏組件作為光伏電站中重要的發(fā)電設(shè)備[1]，占地面積廣，所以其日常巡視檢查及定期的紅外熱成像檢測(cè)工作占據(jù)了光伏電站大部分的運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)間，給維護(hù)人員造成了較大的工作負(fù)擔(dān)。因此，亟需尋找可提高光伏電站維護(hù)人員工作效率、減輕其工作壓力的光伏組件維護(hù)方式。

利用無人機(jī)對(duì)光伏組件進(jìn)行日常巡視檢查及定期的紅外熱成像檢測(cè)成為減輕光伏電站維護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)的有效方式之一。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏蘭伊力更光伏電站為例，對(duì)無人機(jī)在光伏組件巡視檢查中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)比了該方式與傳統(tǒng)巡視檢查方式的效果，并分析了利用無人機(jī)進(jìn)行巡視檢查這一方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 光伏組件的分布情況

烏蘭伊力更光伏電站地處荒漠化草原，總裝機(jī)容量為80 MWp，光伏發(fā)電區(qū)域(包括3個(gè)光伏站區(qū))的總占地面積為3200畝(1畝約為666.67 m2)，其中，1#光伏站區(qū)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量為30 MWp，占地面積為1200畝；2#光伏站區(qū)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量為10 MWp，占地面積為400畝；3#光伏站區(qū)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量為40 MWp，占地面積為1600畝。光伏發(fā)電區(qū)域的3個(gè)光伏站區(qū)的分布圖如圖1所示。

圖1 3個(gè)光伏站區(qū)的分布圖Fig. 1 Distribution of three PV power generation areas

2 利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行光伏組件巡視檢查

由于烏蘭伊力更光伏電站的光伏發(fā)電區(qū)域總占地面積較大，因此巡視檢查周期長(zhǎng)、任務(wù)重已成為光伏組件巡視檢查工作中的難題。該光伏電站的光伏組件巡視工作主要分為日常巡視檢查和專項(xiàng)巡視檢查2部分。

2.1 日常巡視檢查

日常巡視檢查的工作重點(diǎn)主要是巡視光伏組件表面的臟污情況，以及光伏站區(qū)內(nèi)部雜草對(duì)光伏組件的遮擋情況。日常巡視檢查可以防止因光伏組件表面臟污及雜草遮擋等情況造成光伏電站發(fā)電量降低。

日常巡視檢查的工作一般由2人駕駛車輛，以目測(cè)的方式對(duì)光伏組件進(jìn)行巡視檢查，每日可巡視檢查5個(gè)光伏方陣，巡視面積可達(dá)200畝，將全部光伏發(fā)電區(qū)域巡視完成需要16天時(shí)間。

2.2 專項(xiàng)巡視檢查

專項(xiàng)巡視檢查是指針對(duì)光伏組件的紅外熱成像檢測(cè)工作，通過紅外熱成像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在明顯熱斑的故障光伏組件，并及時(shí)對(duì)故障組件進(jìn)行更換，從而可提升光伏電站的整體發(fā)電量。

在光伏組件紅外熱成像檢測(cè)工作中，由于紅外熱成像設(shè)備為地面手持式設(shè)備，因此通常需要由2人使用手持式紅外熱成像儀，以徒步的方式進(jìn)行巡視檢查，每日可完成1個(gè)光伏方陣光伏組件的紅外熱成像檢測(cè)工作，巡視檢查面積約為40畝；若遇上雷雨、多云等天氣變化，會(huì)造成此項(xiàng)工作無法進(jìn)行，因此一般情況下，完成整個(gè)光伏發(fā)電區(qū)域所有光伏組件的紅外熱成像檢測(cè)工作需要花費(fèi)2.5～3個(gè)月的時(shí)間。

3 利用無人機(jī)進(jìn)行光伏組件巡視檢查

為了有效提高光伏組件巡視檢查的工作效率，減輕光伏電站維護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，提升光伏電站的整體發(fā)電量，烏蘭伊力更光伏電站采用無人機(jī)對(duì)光伏組件進(jìn)行巡視檢查工作。

3.1 利用無人機(jī)進(jìn)行光伏組件巡視檢查的實(shí)施方案

烏蘭伊力更光伏電站利用無人機(jī)進(jìn)行光伏組件日常及專項(xiàng)巡視檢查的具體實(shí)施方案為：

1)對(duì)3個(gè)光伏站區(qū)的共8136組光伏支架按照由南到北、從東到西的原則進(jìn)行編號(hào)，并將編號(hào)牌(尺寸為21 cm×30 cm)固定在光伏支架上。

2)在無人機(jī)云臺(tái)上裝設(shè)1個(gè)紅外攝像頭和1個(gè)運(yùn)動(dòng)攝像頭，在檢測(cè)過程中使用紅外攝像頭對(duì)光伏組件進(jìn)行熱成像，生成紅外熱成像圖片，然后使用運(yùn)動(dòng)攝像頭對(duì)存在熱斑組件的光伏支架進(jìn)行拍照記錄。

3)光伏電站運(yùn)行人員將紅外熱成像圖片進(jìn)行統(tǒng)一匯總分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及熱斑情況確定需要更換的熱斑組件；光伏電站維護(hù)人員根據(jù)運(yùn)行人員提供的與熱斑組件相關(guān)的數(shù)據(jù)，找到記錄中存在熱斑組件的光伏支架，并使用手持式測(cè)溫設(shè)備對(duì)該光伏支架上的所有光伏組件進(jìn)行復(fù)測(cè)，找出具體的熱斑組件，然后對(duì)熱斑組件進(jìn)行更換。

采用無人機(jī)巡視檢查方式時(shí)，日常巡視檢查和專項(xiàng)巡視檢查均可由1人完成；每日可完成40個(gè)光伏方陣(巡視面積達(dá)1600畝)的日常巡視檢查，全部光伏發(fā)電區(qū)域巡視完成需要2天；專項(xiàng)巡視檢查每日可檢測(cè)10個(gè)光伏方陣(巡視面積達(dá)400畝)，全部光伏發(fā)電區(qū)域檢測(cè)完成需要8～12天的時(shí)間。

3.2 傳統(tǒng)巡視檢查與無人機(jī)巡視檢查的效果對(duì)比

為有效對(duì)比傳統(tǒng)巡視檢查方式及無人機(jī)巡視檢查方式的效率差距，選擇烏蘭伊力更光伏電站中同樣的200塊光伏組件，分別進(jìn)行2種方式的紅外熱成像檢測(cè)工作。

采用傳統(tǒng)巡視檢查方式時(shí)，光伏電站維護(hù)人員使用手持式紅外熱成像儀對(duì)200塊光伏組件進(jìn)行紅外熱成像檢測(cè)，共耗時(shí)10 min，發(fā)現(xiàn)有2塊光伏組件存在明顯熱斑。采用無人機(jī)巡視檢查方式時(shí)，光伏電站維護(hù)人員使用無人機(jī)對(duì)200塊光伏組件進(jìn)行紅外熱成像檢測(cè)，共耗時(shí)1 min，發(fā)現(xiàn)有2塊光伏組件存在明顯熱斑。由此可見，2種巡視檢查方式的結(jié)果一致。

采用無人機(jī)巡視檢查方式時(shí)和采用傳統(tǒng)巡視檢查方式時(shí)光伏組件的紅外熱成像圖如圖2所示。

2種巡視檢查方式的效果對(duì)比分析如表1所示。從表1可知，較傳統(tǒng)巡視檢查方式而言，無人機(jī)巡視檢查方式在提高光伏組件的巡視效率、巡視經(jīng)濟(jì)性及應(yīng)用范圍方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。

圖2 2種巡視檢查方式時(shí)光伏組件的紅外熱成像圖Fig. 2 Infrared thermal images of PV modules by two kinds of inspection methods

表1 無人機(jī)巡視檢查方式與傳統(tǒng)巡視檢查方式的效果對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of effects of UAV inspection method and traditional inspection method

4 無人機(jī)巡視檢查方式存在的問題及改進(jìn)措施

當(dāng)前無人機(jī)在電力行業(yè)主要是用于電力線路的巡視，國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電設(shè)備采用無人機(jī)進(jìn)行巡視檢查尚處于初步探索階段，還未能形成成熟有效的大規(guī)模批量性應(yīng)用。雖然無人機(jī)巡視檢查方式較傳統(tǒng)巡視檢查方式的優(yōu)勢(shì)明顯，但通過在烏蘭伊力更光伏電站中的長(zhǎng)期使用，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)巡視檢查方式仍存在一些問題。

當(dāng)前無人機(jī)巡視檢查方式存在的問題及相應(yīng)的改進(jìn)措施具體為：

1)無人機(jī)多使用蓄電池提供動(dòng)力，而1組蓄電池最久可支持無人機(jī)飛行30 min，飛行續(xù)航時(shí)間較短，因此通常使用無人機(jī)進(jìn)行光伏組件巡視檢查時(shí)，單次飛行需準(zhǔn)備8組蓄電池，以提供飛行動(dòng)能；而且蓄電池的性能受環(huán)境溫度的影響較大。

但隨著蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)計(jì)3～5年后，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間較目前會(huì)有很大提高。

2)目前采用無人機(jī)進(jìn)行巡視檢查時(shí)，巡視路線及巡視速度還需要進(jìn)行人為設(shè)定，整體不夠智能化。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，以后進(jìn)行光伏組件巡視檢查時(shí)，可將光伏站區(qū)坐標(biāo)分布圖傳輸至無人機(jī)圖像識(shí)別系統(tǒng)中[4]，通過對(duì)巡視路徑進(jìn)行智能規(guī)劃，可根據(jù)光伏組件的安裝角度自動(dòng)設(shè)定無人機(jī)的飛行高度、巡視速度等技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏組件巡視檢查效率的最大化。

3)使用無人機(jī)進(jìn)行光伏組件巡視檢查時(shí)，其拍攝的紅外熱成像圖片需要由光伏電站運(yùn)行人員集中整理，然后通過工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步分析和判斷需要更換的故障光伏組件。

未來伴隨大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等前端技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)可實(shí)時(shí)將紅外熱成像圖片發(fā)送至光伏組件數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)分析將需要更換的故障光伏組件信息通知光伏電站的維護(hù)人員，從而進(jìn)一步提高維護(hù)人員的工作效率[5]。

5 結(jié)論

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏蘭伊力更光伏電站為例，對(duì)在光伏組件巡視檢查中采用傳統(tǒng)巡視檢查方式和無人機(jī)巡視檢查方式分別進(jìn)行了介紹，并通過對(duì)比分析了無人機(jī)巡視檢查方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。較此前采用傳統(tǒng)巡視檢查方式，烏蘭伊力更光伏電站自采用無人機(jī)開展光伏組件巡視檢查工作以來，在設(shè)備經(jīng)濟(jì)性、工作高效性及降低維護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)方面均有了很大的提高。通過創(chuàng)新光伏組件巡視檢查手段，不僅提高了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益，拓展了光伏電站維護(hù)人員的無人機(jī)操作技能，還可以為光伏發(fā)電行業(yè)的光伏組件巡視檢查提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。