光伏組件熱斑檢測系統(tǒng)

宋卿堯

（深能北方(通遼)能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古通遼，028000）

1 光伏熱斑研究現(xiàn)狀

當(dāng)前在太陽能利用中經(jīng)常會遇到光伏熱斑的困擾，目前關(guān)于光伏熱斑的研究與探討也取得了一定進展，光伏熱斑的成因已經(jīng)探明，其是光伏組件在全光照的條件下因組件遮擋導(dǎo)致局部溫度升高從而演變?yōu)楣夥鼰岚叩默F(xiàn)象。光伏熱斑危害性較大，不僅干擾光伏陣列運行，也威脅光伏電站的運行。光伏熱斑的成因較多，其一，光伏組件因為遮擋出現(xiàn)組件功率匹配失衡的問題，引發(fā)熱斑。其二，光伏組件搬運組裝的過程中因疏忽引發(fā)組件斷裂，影響組件功能的正常發(fā)揮，產(chǎn)生熱斑。其三，在惡劣的天氣環(huán)境下組件內(nèi)部發(fā)生阻抗失衡引發(fā)光伏熱斑。針對第一種情況引發(fā)的光伏熱斑是可以提前預(yù)測與防范的，目前常用的光伏熱斑診斷方法為紅外檢測和電氣量法，紅外檢測原理是根據(jù)不同狀態(tài)下光伏組件的溫度差異進行熱斑檢測，并配合紅外識別、圖形處理達到故障定位的目的。其也支持熱斑檢測報告的自動生成，是光伏電站運維人員運維管理的主要參考，但其也有應(yīng)用局限，往往需要較高的圖片分辨率，且容易受環(huán)境因素干擾，對應(yīng)的技術(shù)要求也較高。但從應(yīng)用效果看，紅外檢測效果要優(yōu)于電氣量法。目前主推的是基于無人機的光伏電站熱斑檢測系統(tǒng)，其能提高數(shù)據(jù)采集與熱斑檢測效率，能實現(xiàn)熱斑檢測的自動化，對應(yīng)較高的檢測準(zhǔn)確率。支持后臺生成熱斑檢測報告，為光伏電站維護人員提供智能決策支持。

2 光伏熱斑的紅外溫度特性及成像特性

■2.1 光伏熱斑的紅外溫度特性

熱斑是因為被遮擋光伏組件局部區(qū)域發(fā)熱所造成的，它對應(yīng)的紅外溫度特性體現(xiàn)在兩個方面。一方面，熱斑的最高溫度明顯高于光伏組件平均溫度，這是由熱斑的產(chǎn)生機理所決定的。借助紅外圖像可以準(zhǔn)確觀察到熱斑。另一方面，熱斑的最高溫度與熱斑平均溫度差差異大，且即使是在同一個熱斑范圍內(nèi)中心點的溫度要高于周邊溫度，此外背景最高溫度與平均溫度差值會小于熱斑最高溫度與熱斑平均溫度差值，我們可以據(jù)此規(guī)避錯誤地將背景區(qū)域作為高溫斑塊的風(fēng)險，使得熱斑檢測更準(zhǔn)確。

■2.2 光伏熱斑紅外成像特性

光伏陣列區(qū)域中熱斑紅外輻射能力強且溫度高，其紅外成像特征體現(xiàn)在四個方面。其一，熱斑的面積較小，熱斑是光伏組件局部發(fā)熱形成的，因此其面積通常較小?；谄涿娣e較小的屬性可以區(qū)分熱斑與地面背景區(qū)域的局部高溫塊。其二，熱斑灰度值偏高。熱斑的溫度明顯高于光伏陣列內(nèi)其他部分溫度，對應(yīng)到紅外灰度圖像中熱斑灰度值也高于光伏陣列中其他區(qū)域灰度值。其三，熱斑邊緣明顯。熱斑的邊緣溫度是明顯高于光伏陣列區(qū)域的溫度的，因此熱斑邊緣的灰度值要高于光伏陣列區(qū)域的灰度值，使得熱斑邊緣十分明顯。其四，熱斑多分布于光伏組件邊緣位置。目前光伏電站多建立在郊區(qū)、荒漠等地區(qū)，多用傾斜安裝的方式安裝光伏陣列，長期運行下沙土、固體物在光伏組件的下邊緣處堆積，因此使得熱斑多分布在光伏組件邊緣位置。

3 熱斑檢測系統(tǒng)模塊介紹

熱斑檢測系統(tǒng)主要有機載部分和地面站兩大部分，其中機載部分的構(gòu)成是飛行控制模塊、溫度采集模塊、GPS 定位模塊、巡航控制模塊，機載部分可以控制無人機的飛行路線并支持光伏電站紅外溫度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，以此獲取紅外圖像位置信息，用于熱斑的檢測與判斷。而地面站的主要構(gòu)成是通訊模塊、系統(tǒng)管理模塊、圖像處理模塊以及UI 模塊。整體說來，其負責(zé)熱斑檢測、定位以及報告生成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 無人機航拍應(yīng)用系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

■3.1 機載模塊

3.1.1 飛行控制模塊

飛行控制模塊是機載模塊部分的核心控制模塊，主要負責(zé)進行無人機運行狀態(tài)的調(diào)整，下發(fā)具體的飛行任務(wù)并管理，也進行應(yīng)急控制。

3.1.2 巡航控制模塊

該模塊不僅能及時收集到傳感器的相關(guān)測量數(shù)據(jù)，也能接收到控制站發(fā)出的關(guān)鍵信息，并起著指令傳輸?shù)闹薪樽饔茫瑢⑺邮盏降男畔⑦M行提取，并發(fā)出輸出指令以指導(dǎo)無人機運行。

3.1.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊又叫圖像采集模塊，主要側(cè)重溫度數(shù)據(jù)的采集。其可以實現(xiàn)無人機特定高度與方向數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理模塊進行圖像的處理與利用。

3.1.4 GPS 定位模塊

GPS 定位模塊則主要負責(zé)進行熱斑位置的判斷，可以精確到具體的經(jīng)度和緯度。其也使得飛行控制模塊有精準(zhǔn)的方向指導(dǎo)，明確的位置診斷，使得熱斑定位更精準(zhǔn)，更高效。

■3.2 地面站模塊

3.2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊一般主要負責(zé)進行系統(tǒng)功能和參數(shù)的設(shè)置，其可以被認(rèn)為是參數(shù)系統(tǒng)的集合。在系統(tǒng)運行前做好參數(shù)設(shè)置，讓設(shè)備系統(tǒng)達到規(guī)范運行的條件,因此被認(rèn)為是其他模塊功能運行的基礎(chǔ)。

3.2.2 圖像處理模塊

圖像處理模塊在地面站模塊中處于核心地位，主要負責(zé)圖像的精準(zhǔn)處理，輔助進行光伏陣列區(qū)域范圍的判斷與識別，在進行光伏陣列區(qū)域識別之后進行熱斑檢測。圖像處理模塊的精準(zhǔn)分析功能，使得熱斑檢測系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率更高。目前圖像處理模塊可以識別到具體的紋理細節(jié)，即使在不接觸的情況下也能做到對區(qū)域熱斑的精準(zhǔn)定位。

3.2.3 UI 模塊

UI 模塊是用戶界面模塊，主要負責(zé)顯示熱斑檢測結(jié)果，并生成熱斑檢測報告，熱斑檢測報告是光伏電站維護人員進行熱斑故障排查與處理時的主要參考，能有效降低熱斑負面效應(yīng)，讓運維管理更具實效，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。

4 熱斑檢測系統(tǒng)工作原理

目前無人機航拍熱斑檢測系統(tǒng)工作原理清晰簡單，主要涉及五大流程。第一流程是科學(xué)合理地規(guī)劃無人機的航拍路線，使得無人機運行方向、軌跡正確。第二流程是基于特定需求及時抓取信息，拍攝圖像，生成光伏場區(qū)域紅外圖像。第三流程是建立光伏熱斑檢測模型。第四流程是基于獲得的圖像進行熱斑檢測分析。第五流程是輸出檢測分析后的數(shù)據(jù)并生成檢測報告。下面根據(jù)這五大流程進行具體論述。

■4.1 科學(xué)規(guī)劃路線

路線規(guī)劃是否合理直接關(guān)系到無人機的運行軌跡、運行穩(wěn)定性，更牽涉到無人機溫度數(shù)據(jù)的采集效率、準(zhǔn)確性以及路線航拍的安全性，本著數(shù)據(jù)高效采集、航拍安全的原則，應(yīng)確保路線規(guī)劃的合理性，避免重復(fù)拍攝，規(guī)避遺漏拍攝風(fēng)險。在實踐中常常根據(jù)光伏電站的原始設(shè)計圖紙來擬定無人機的最佳飛行路線，使得無人機在特定的拍攝區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行。在路線規(guī)劃時應(yīng)提前進行小型無人機的運行檢查，小型無人機自動巡航包括起飛檢查、光伏組件換行、著陸等系列操作，于現(xiàn)場進行小型無人機巡航線的調(diào)試，高度角度參數(shù)的調(diào)整，讓小型無人機巡航路線根據(jù)GPS 傳感器聯(lián)網(wǎng)進行科學(xué)設(shè)定，在設(shè)定GPS 傳感器時需要確保無人機上兩個攝像頭所拍攝的光伏組件處于圖像的正中心位置。

■4.2 及時拍攝圖像

路線規(guī)劃完成后則對應(yīng)著圖像的拍攝，一般是將紅外線熱成像儀器裝載在無人機上，基于飛行控制模塊的調(diào)控，讓無人機按照預(yù)先設(shè)計進行光伏組件圖像的抓取抓拍，并在紅外圖像采集模塊的輔助下實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)到地面控制系統(tǒng)的傳輸，生成清晰的圖像。

■4.3 建立光伏熱斑檢測模型

優(yōu)化處理采集到的數(shù)據(jù)，拋除明顯異常數(shù)據(jù)，使用灰色關(guān)聯(lián)投影的方法選出與待測日相同的環(huán)境要素，其中光照、溫度等作為主要的選擇條件。選取與待測日比較接近的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)進行隔離森林算法的訓(xùn)練，采集各個支路上的數(shù)據(jù)作為實時輸入數(shù)據(jù)予以診斷，及時判定各支路是否有異常情況，評分越大的支路其故障可能性越大。具體的光伏熱斑檢測流程如圖2 所示。先是環(huán)境信息采集，接著是灰色關(guān)聯(lián)投影選擇相似日，接著是歷史樣本輸入與數(shù)據(jù)預(yù)處理，接著是生成決策樹，再次輸入采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)異常預(yù)測。之所以選擇隔離森林算法是因為其針對異常數(shù)據(jù)檢測效果好且時間復(fù)雜度低、計算速度快，在處理高危和海量數(shù)據(jù)方面優(yōu)勢明顯，目前該算法在光伏組件熱斑檢測系統(tǒng)中得到了成熟運用。

圖2 光伏熱斑預(yù)測流程圖

■4.4 展開圖像分析

對于拍攝的圖像進行分析，主要由圖像處理模塊進行，通過對光伏組件拍攝的紅外圖像溫度數(shù)據(jù)進行分析了解，進而評判光伏陣列中熱斑的具體位置。

■4.5 生成檢測報告

生成熱斑檢測報告是最后一環(huán)，UI 模塊將獲取到的熱斑信息呈現(xiàn)在報告中，讓光伏電站工作人員了解光伏組件的熱斑情況，評估其故障狀態(tài)，指導(dǎo)維修，以保證光伏電站正常運營。

5 熱斑檢測系統(tǒng)的應(yīng)用前景

基于無人機航拍的熱斑檢測系統(tǒng)綜合了無人機技術(shù)、紅外圖像處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持無人機自動巡航，使得熱斑檢測更高效、更精準(zhǔn)。無人機自動巡航中收集的圖像在無線傳輸渠道的支持下及時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測站，以機器視覺算法識別有缺陷的光伏組件，達到自動化檢測的目的。著眼于未來，熱斑檢測的應(yīng)用將更為成熟與廣泛，檢測系統(tǒng)的性能也將大大提升，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)人工檢測數(shù)據(jù)丟失的問題，使得熱斑檢測自動化、智能化程度更高，而熱斑檢測系統(tǒng)能更及時地發(fā)現(xiàn)光伏組件中的故障，為維修人員故障排查與處理提供有效參考，指導(dǎo)他們及時維修設(shè)備。目前熱斑檢測系統(tǒng)在其他領(lǐng)域也“小試牛刀”，如在高壓電路、變電站等行業(yè)中發(fā)揮實效。

6 結(jié)語

基于無人機航拍技術(shù)、紅外圖像處理技術(shù)的綜合性的光伏熱斑檢測系統(tǒng)能有效解決人工巡檢盲點多、低效化的問題，不僅能識別熱斑故障，而且具有檢測效率高、檢測準(zhǔn)確率高的特征，更好地滿足光伏電站的實際工作需要，大大降低光伏熱斑效應(yīng)的危害。