無人機快速巡檢光伏電站中異常光伏組件的方法

李 賽

(寧夏磐石檢研科技有限公司，銀川 750000)

0 引言

在光伏組件的實際應用過程中會存在很多問題，通過目測來看，其可能存在的問題包括：EVA變黃，太陽電池變色(包括蝸牛紋)，太陽電池破碎，太陽電池位移，封裝存在氣泡，背板變色、皺褶、鼓泡、開裂，邊框變形、開裂，接線盒脫落，可視熱斑，光伏玻璃破損等；通過紅外熱成像設備對光伏組件進行檢測時，光伏組件可能存在的問題包括：熱斑、發(fā)熱異常；而通過光伏組件的電致發(fā)光(EL)檢測，光伏組件中太陽電池可能存在的問題包括：隱裂、碎片、缺角、黑片、斷柵、虛焊等。

光伏組件作為光伏電站最核心的發(fā)電部件，其是否存在異常將直接影響整個光伏電站的發(fā)電量及收益，甚至會對整個光伏電站的安全造成影響。而每個光伏電站中的光伏組件都會存在上述異常，因此，如何快速找出運行中的光伏電站內(nèi)存在的異常光伏組件，對于光伏電站的運維尤為重要。

針對光伏電站中的大量光伏組件，為了能快速發(fā)現(xiàn)其中的異常光伏組件并及時進行處理，本文對異常光伏組件進行分類后，提出了一種利用無人機快速巡檢光伏電站中異常光伏組件的方法。首先利用紅外熱成像儀對光伏組件進行掃描，找出紅外熱成像圖片與異常光伏組件之間的關聯(lián)；然后利用無人機攜帶紅外熱成像鏡頭，對整個光伏電站進行快速紅外熱成像掃描，根據(jù)此前得到的不同類型異常光伏組件的紅外熱成像圖片，分析掃描后得到的光伏組件紅外熱成像圖片，并從中快速找出異常光伏組件。

1 光伏電站中異常光伏組件的分類

本文僅針對常規(guī)60片及72片單晶硅光伏組件或多晶硅光伏組件進行研究。

從光伏組件的實際輸出功率出發(fā)，可將異常光伏組件分為3類：

1)第1類異常光伏組件是指實際輸出功率為零的光伏組件，該類光伏組件只是在“曬太陽”，根本不能產(chǎn)生任何電量；

2)第2類異常光伏組件是指實際輸出功率高于零，但低于其標稱輸出功率2/3的光伏組件；

3)第3類異常光伏組件是指實際輸出功率高于其標稱輸出功率2/3，但未達到其100%標稱輸出功率的光伏組件。

2 異常光伏組件與其紅外熱成像圖片之間的關聯(lián)

從按實際輸出功率對異常光伏組件進行分類的結果來看，最直接的檢測異常光伏組件的方法就是對光伏組件進行輸出功率測試。但對于一個運行中的光伏電站而言，其擁有動輒上萬、幾十萬甚至上百萬塊光伏組件，對每塊光伏組件進行輸出功率測試是不現(xiàn)實且不可行的。而光伏組件的實際輸出功率除了可以通過輸出功率測試來體現(xiàn)外，還可以利用紅外熱成像設備對光伏組件進行掃描，通過生成的紅外熱成像圖片分析出光伏組件的發(fā)電情況。因此，本文對利用紅外熱成像設備找出異常光伏組件的理論方法進行了探討。

紅外熱成像設備就是通過紅外掃描將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷募t外熱成像圖片，紅外熱成像圖片上的顏色代表被測物體相應位置的溫度，一般顏色越亮，表示被測物體該位置的表面溫度越高；然后通過對紅外掃描得到的光伏組件紅外熱成像圖片進行分析，可以得到光伏組件表面上任意一點的溫度值[1]，從而可推測該光伏組件是否存在異常。

根據(jù)CNCA/CTS 0016—2015《并網(wǎng)光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術規(guī)范》中規(guī)定：當被檢測的光伏組串中全部的光伏組件處于正常并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)下時，才能利用紅外熱成像設備對光伏組件進行紅外掃描，并且測試時，光伏組件表面接收到的太陽輻照度必須達到600 W/m2以上，這時才能確保有足夠的電流使光伏組件中所有存在問題的部位的溫度提高；當同一塊光伏組件中的太陽電池正上方光伏玻璃外表面之間的溫度差超過20 ℃時，該光伏組件則可被視為熱斑光伏組件[2]，即存在異常的光伏組件。

1)對第1類異常光伏組件進行分析。該類異常光伏組件的紅外熱成像圖片上光伏玻璃外表面的溫度會比正常光伏組件紅外熱成像圖片上光伏玻璃外表面的溫度略高。第1類異常光伏組件和正常光伏組件的紅外熱成像圖片如圖1所示。

圖1 第1類異常光伏組件和正常光伏組件的紅外熱成像圖片F(xiàn)ig. 1 Infrared thermal imaging pictures of category 1 abnormal PV module and normal PV module

圖1中的異常光伏組件根本不能產(chǎn)生任何電量，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是因為，該光伏組件里的旁路二極管全部損壞，或是內(nèi)部線路被斷開。

當出現(xiàn)上述情況時，需立即對該光伏組件進行更換處理。

2)對第2類異常光伏組件進行分析。該類異常光伏組件的紅外熱成像圖片如圖2所示。

圖2 第2類異常光伏組件的紅外熱成像圖片F(xiàn)ig. 2 Infrared thermal imaging picture of category 2 abnormal PV module

此類異常光伏組件產(chǎn)生異常的原因一般都是由接線盒內(nèi)的二極管部分損壞造成的，導致整塊光伏組件只有1/3或2/3的面積在正常工作。

當出現(xiàn)上述情況時，也需立即對該光伏組件進行更換處理。

3)對第3類異常光伏組件進行分析。該類異常光伏組件的紅外熱成像圖片如圖3所示。

圖3 第3類異常光伏組件的紅外熱成像圖片F(xiàn)ig. 3 Infrared thermal imaging picture of category 3 abnormal PV module

從圖3中可以看出，第3類異常光伏組件中個別太陽電池存在發(fā)熱異常的情況。產(chǎn)生該情況的原因，可能是由于光伏組件表面受到樹木、電線、灰塵、鳥糞等異物遮擋，或是由于光伏組件本身的缺陷，比如太陽電池存在隱裂、碎片，以及太陽電池或背板存在劃傷等，導致個別太陽電池的電阻過大，成為異常太陽電池，異常太陽電池將會被當作負載消耗其他正常接收太陽輻射的太陽電池所產(chǎn)生的電量，而此時該異常太陽電池將會發(fā)熱，其表面溫度快速升高，這就是所謂的熱斑效應[3]。

當出現(xiàn)上述情況時，若是由于光伏組件表面異物遮擋導致的熱斑現(xiàn)象，需及時清除異物；若是由于光伏組件本身缺陷問題導致的熱斑現(xiàn)象，需及時對該異常光伏組件進行更換處理。

3 利用無人機快速巡檢光伏電站中異常光伏組件的方法

目前，傳統(tǒng)的紅外掃描檢測方法主要是通過人工手持紅外熱成像儀對光伏組件進行逐個檢測，但由于很多光伏電站建設在荒山、魚塘等地，檢測人員現(xiàn)場檢測較為困難，再加上有些光伏電站的占地面積大，因此人工檢測效率低、條件艱苦且工作量大。

本文提出利用無人機替代人工對整個光伏電站進行紅外熱成像檢測的方法。首先，利用無人機搭載數(shù)碼鏡頭對整個光伏電站中的光伏組件進行航拍，并利用軟件對每塊光伏組件進行定位，同時規(guī)劃好紅外熱成像掃描路徑；然后，再利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭，按照規(guī)劃好的掃描路徑依次進行自動紅外熱成像掃描；最后，再利用軟件對掃描得到的整個光伏電站中所有光伏組件的紅外熱成像圖片進行分析，找出3類異常光伏組件的具體位置，并交給運維人員進行后續(xù)處理。利用無人機進行自動紅外熱成像掃描得到的光伏組件紅外熱成像圖片如圖4所示。

圖4 利用無人機進行自動紅外熱成像掃描得到的光伏組件紅外熱成像圖片F(xiàn)ig. 4 Infrared thermal imaging picture of PV modules obtained by automatically infrared thermal imaging scanning of UAV

據(jù)測試，在天氣晴好的情況下，對于裝機容量為20 MW的光伏電站，只需2天時間即可完成全站所有光伏組件的紅外熱成像掃描檢測，可大幅提高利用紅外熱成像掃描檢測光伏組件的效率。

利用無人機進行光伏電站中異常光伏組件的紅外熱成像檢測，不僅可以大幅提高檢測效率，而且還不受光伏電站地形地貌的影響，無論是漁光互補光伏電站，還是農(nóng)光互補光伏電站，該方法均可以輕松完成。

4 結論

本文按光伏組件的實際輸出功率對運行中的光伏電站內(nèi)的異常光伏組件進行了分類，通過分析異常光伏組件與其紅外熱成像圖片之間的關聯(lián)，提出了利用無人機攜帶紅外熱成像鏡頭對整個光伏電站進行快速掃描，從而找出異常光伏組件的方法。據(jù)測試，該方法可大幅提高利用紅外熱成像掃描對光伏組件檢測的效率，且不受光伏電站地形地貌的影響，均可輕松完成巡檢異常光伏組件的工作。