光伏板紅外成像缺陷檢測技術研究進展

謝海軍 倪慧葉 張騎虎 石煥江 朱怡良

摘要：隨著全球能源消耗加劇，環(huán)境污染嚴重，人們對清潔能源的發(fā)展需求越來越大.能源結(jié)構轉(zhuǎn)型已成為全球共識，大力發(fā)展清潔能源對推進生態(tài)文明進程有重大意義.太陽能作為公認的清潔能源之一，近年來得到了快速發(fā)展，2017年累計光伏裝機規(guī)模已達到400GW.與此同時，中國新增光伏裝機量連續(xù)五年全球第一，截至2018年4月，中國并網(wǎng)光伏裝機容量已經(jīng)超過1.4億kW，體現(xiàn)了光伏發(fā)電蓬勃發(fā)展的大好前景.太陽能光伏板從制造、運輸、再到安裝，以及后續(xù)長時間在野外惡劣環(huán)境及氣候條件下運行的過程中，不可避免地會因為各種各樣的原因（機械應力、光伏材料功能退化以及環(huán)境因素等）導致光伏板出現(xiàn)缺陷，進而導致光伏板出現(xiàn)嚴重故障，所以光伏板的運維檢測工作就不可或缺了.由于光伏缺陷在光伏板正常工作狀態(tài)下不可避免地會對光伏板的輸出功率造成影響，同時光伏面板上的缺陷也會對光伏面板上的熱流場造成影響，基于這兩個方面，常用的光伏故障檢測方法可以分為兩大類：一類是基于電氣（I-V）特征的故障檢測方法，而另一類則是基于圖像（紅外熱像圖或可視圖）特征的故障檢測方法.基于I-V特征的故障檢測方法是利用收集到的光伏板電流、電壓和輸出功率信息，運用數(shù)學分析、機器學習等方法與正常光伏板的電氣參數(shù)對比，最后得出故障檢測結(jié)果、.而基于圖像特征的檢測方法則是運用圖像采集設備對光伏面板進行成像，得到光伏板的狀態(tài)信息，再利用圖像處理算法進行檢測分析并得出檢測結(jié)果.在基于圖像特征的方法中，紅外成像技術是常用的方法.

關鍵詞：光伏板;紅外成像技術;缺陷檢測;

引言

超聲波、射線、線流、磁板和滲透等常用無損儀器已經(jīng)在相關行業(yè)進行了測試。但是，這些工具廣泛用于檢測已經(jīng)出現(xiàn)的宏錯誤。紅外測試（IRT）技術是一種新的儀器，用于通過提取檢測到的物體的紅外特性參數(shù)和應力疲勞來實時檢測設備故障。通過識別此類“危險”源，您可以確定部件和設施的可用性，從而評估關鍵部件的可持續(xù)性和安全性評估。紅外探測比傳統(tǒng)無損檢測方法更具優(yōu)勢：無需壓力測量;（高達0.1平方米）大測量范圍;①測量距離（20厘米20米）;圖片直觀快速。IRT技術目前應用于航空航天、電力、建筑和許多其他工業(yè)領域。筆者闡述了紅外發(fā)光技術的工作原理，指出了國內(nèi)外紅外物質(zhì)檢測的發(fā)展和進展，確定了研究領域和存在的問題，最后闡述了基于紅外教育技術的儀器儀表和測量標準，并指出了該技術的未來趨勢及其應用前景。

1光伏組件的故障類型

1.1光學退化

光學退化是指光學材料和封裝劑的老化、功能衰退現(xiàn)象，而光學材料和封裝劑對光伏發(fā)電組件長期有效運行至關重要.引起光學退化的原因主要由兩方面構成：一是外部因素，主要是動態(tài)環(huán)境溫度的變化、環(huán)境濕度及紫外線的輻射等;二是內(nèi)部因素，主要是低質(zhì)量材料（包括封裝劑質(zhì)量、層壓板質(zhì)量）或生產(chǎn)過程不嚴謹?shù)?因此，為了減少光學退化發(fā)生率，解決措施應該落實到發(fā)展新材料上，以便獲得更好的材料特性（介電強度、水汽透過率和熱導率），并對光伏組件生產(chǎn)技術進行革新.由光學材料和封裝劑老化引發(fā)的故障包括：安全玻璃和層壓板之間或不同層壓之間的粘附性受到干擾（即分層）;層壓顏色發(fā)生變化;層壓下出現(xiàn)空氣夾雜物;安全玻璃受到污染或開裂等.這些故障在紅外圖像上一般都是以溫度較高的塊狀區(qū)域形式呈現(xiàn)，而塊狀區(qū)域內(nèi)溫度高于其他部位則是因為該區(qū)域內(nèi)由光學材料老化引起各種光學故障，導致導熱系數(shù)降低.一般這種高溫塊狀區(qū)域較之其他部位的溫度上升范圍在1～5K左右.根據(jù)研究表示，這種光學退化故障引起的光伏板能量損失每年還不到0.5%，而通常情況下，CSi光伏組件的能量損失為每年0.8%左右.

1.2其他故障

像勢能誘導故障、旁路二極管故障等這些并不能以任何單一的檢測方法（I-V特性參數(shù)曲線以及熱響應模式）檢測出來的故障被稱為其他故障.勢能誘導故障（PID），即光伏組件長期在高壓下運行，因高負偏壓施加在光伏組件上而使其性能發(fā)生變化的現(xiàn)象.這種故障將會引起安全玻璃與封裝材料之間發(fā)生電流泄漏、光伏電池片鈍化等現(xiàn)象，但光伏組件在外觀上完好無損.形成PID效應的影響因素較多，主要分為內(nèi)因、外因兩種因素：內(nèi)在因素主要表現(xiàn)在系統(tǒng)和電池組件，即電池組件中所包含的電池片和玻璃的質(zhì)量影響等;外在因素主要體現(xiàn)在環(huán)境氣候方面，即組件表面潮濕、高溫影響.

2缺陷檢測

部件故障紅外搜索目前主要采用主動方法，通過受控激勵獲得熱圖像。它們不同于阻礙熱通量均勻分布并在“高”和“低”元件表面形成溫度的熱電阻和溫度分布。熱紅外檢測與材料特性無關，目前主要側(cè)重于復合材料檢測，從而更頻繁地消除裂紋、膠水、沖擊損傷等故障。對熱圖像檢測的比較研究發(fā)現(xiàn)，熱圖像的噪聲主要是結(jié)構性不平等造成的。對于較淺的誤差位置，熱脈沖檢測中的圖像誤差最大。但是，隨著誤差深度的增加，這三種方法的差異逐漸縮小。對碳纖維機場損傷復興機制的研究發(fā)現(xiàn)，當拉伸0° 3時，可能會出現(xiàn)損傷：基本體損壞、纖維和粘合劑破裂，而當拉伸90°時，基本體沒有損傷模式。對于高級復合材料，紅外掃描內(nèi)部裂縫、外部應力、粘合劑、層狀等比其他檢測方法更高效、更安全，非常適合在線監(jiān)測。波浪解釋圖像序列和離散傅里葉變換（DFT）處理，利用幅值和相位分析研究裂紋的增長。低壓下厚度方向的熱分布系數(shù)小于正常大氣壓力下的熱衍生系數(shù)，平面方向的熱衍生系數(shù)取決于解釋頻率。采用CT（x射線計算機斷層掃描）技術，驗證了相對總誤差小于10%的紅外技術測量碳纖維缺陷幾何的準確性。

3紅外成像現(xiàn)場檢測的要求

（1）對檢測人員的要求。①檢測人員應熟悉紅外成像技術基本原理，了解紅外成像儀工作原理、技術參數(shù)和性能，掌握操作程序和使用方法。②了解被檢測設備的結(jié)構特點、工作原理、運行狀況和導致熱故障的基本原理。③熟悉帶電設備紅外診斷應用規(guī)范內(nèi)容。④具有一定的現(xiàn)場工作經(jīng)驗，熟悉并能嚴格遵守安全工作規(guī)程。（2）安全要求。嚴格執(zhí)行配電相關安全規(guī)程中關于巡視、帶電作業(yè)、高壓試驗等工作要求，操作人員精神狀態(tài)好，監(jiān)護人員嚴格履職，不得擅離崗位或兼做其他工作。（3）一般檢測要求。①被測設備是帶電運行設備，應盡量避開測試設備正面的遮擋物。②環(huán)境溫度不低于5℃，相對濕度不大于85%;天氣以陰天、多云為宜，夜間檢測最好。檢測時風速不宜大于5m/s，不能在雷、雨、霧、雪、沙塵等條件下進行。③晴天戶外檢測應避開陽光直射進入鏡頭，室內(nèi)或夜間檢測應避開直射燈光，夜間檢測宜在日落2h后閉燈檢測。④設備正常運行時間不小于6h，最好達到24h以上，宜在最大電流下開展檢測。⑤注意避開附近熱輻射源、強電場和強磁場對紅外成像儀正常工作的干擾。

結(jié)束語

根據(jù)近年來的光伏紅外成像缺陷檢測技術的研究成果，在無人智能化產(chǎn)品蓬勃發(fā)展、圖像處理算法遍地開花等趨勢的推動下，人們希望光伏板紅外成像技術能更全面的反應光伏板狀態(tài)信息的同時，還能夠檢測出更加具體的光伏缺陷類型.這同樣代表著光伏紅外成像缺陷檢測技術未來龐大的應用前景與強大的診斷與檢測功能。

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