無人機紅外熱斑檢測在光伏電站中的應用
——以某大型光伏電站為例*

夏永紅，周 玲

1.中核工程咨詢有限公司，北京 100037

2.西安思源學院，陜西 西安 710038

0 引言

近幾年，隨著社會不斷發(fā)展、科技不斷成熟，高新技術(shù)在各行各業(yè)的應用頻率不斷提高，無人機因其安全性與便捷性特點，在各個行業(yè)中的應用頻率也不斷提高。借助無人機搭載不同分辨率的CCD 相機、熱紅外相機、多光譜相機等傳感器，可以遙控獲取數(shù)據(jù)，幫助行業(yè)工作人員完成拍攝、檢測等工作。

與傳統(tǒng)能源相比，太陽能具有來源廣泛、污染性小、環(huán)保性高等特點，在世界范圍內(nèi)其應用頻率一直處于上升狀態(tài)。當前，在光伏發(fā)電技術(shù)中，熱斑故障會對其發(fā)電性能造成影響，如何解決這一問題一直是工作人員重點關(guān)注的內(nèi)容。分析傳統(tǒng)熱斑檢測手段可知，工作人員在開展檢測工作時，需要借助升降車、掃描儀等設備，不僅會花費較多的間接成本，工作危險性也較高。借助無人機完成相關(guān)工作，不僅可以提高工作效率與質(zhì)量，獲得傳統(tǒng)檢測手段無法獲得的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)全面性，還可以保證工作人員人身安全，對發(fā)揮光伏電站最大價值幫助非常大。

1 光伏組件紅外熱斑形成原因及影響

1.1 光伏紅外熱斑形成原因

（1）光伏電池板自身存在細微差異，導致輸出不均，進而引發(fā)熱斑問題。

（2）部分光伏組件受到其他物體的遮擋，如云、樹葉、灰塵、雜質(zhì)等，光伏組件不同位置的太陽光強度不同，導致熱斑問題的出現(xiàn)。

1.2 光伏組件紅外熱斑的影響

（1）熱斑效應不僅會影響太陽能電池性能，還會降低太陽能電池使用壽命，增加光伏電站經(jīng)營成本。

（2）太陽能電池的部分能量被遮擋，對光伏電廠發(fā)電性能造成影響[1]。如果工作人員忽略上述問題，未及時解決此類問題，輕則導致光伏電站承擔一定經(jīng)濟損失，重則引發(fā)一系列安全事故，如電池局部被燒毀、火災等。

2 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的檢測原理及應用優(yōu)勢

2.1 無人機紅外熱斑檢測原理

紅外熱像儀接收物體發(fā)射的紅外能量，然后形成對應的熱圖像。分析獲得的不同狀態(tài)的熱圖像可知，不同溫度的代表顏色不同。在正常工作狀態(tài)下，電池組件溫度分布較均勻，對應的熱圖像色彩分布也較均勻；如果電池組件矩陣中部分電池片溫度過高，所生成的熱圖像一定存在較大色差，此現(xiàn)象是工作人員作出判斷的依據(jù)[2]。存在此類問題時，電池組件相應負載會消耗更多電能，導致電池組件實際轉(zhuǎn)換功率下降。工作人員應及時進行更換或清理操作，以免造成更加嚴重的后果。

2.2 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的應用優(yōu)勢

通過無人機搭載可見光成像吊艙及紅外雙光成像設備，然后借助熱斑定位實現(xiàn)多角度光伏板拍攝檢查，可以全面了解光伏電站光伏板熱斑情況，提高工作人員對光伏組件的掌控力度，及時發(fā)現(xiàn)并清除出現(xiàn)的盲點；之后，可以借助三維立體模型完成后續(xù)操作[3]。無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的優(yōu)點在于可以提高工作人員對料堆細節(jié)的掌控力度，提高工作精準度；借助無人機開展紅外巡檢工作，可以緩解工作人員的工作壓力，降低誤差，控制經(jīng)營成本，且此項操作具有極強的可操作性；與傳統(tǒng)運維檢測手法所不同，此操作不需要斷電，系統(tǒng)可以正常運行，并且靈活性較高，在實際工作中，運行穩(wěn)定性較高。

3 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的具體流程和系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的具體流程

通常情況下，工作人員在開展無人機紅外熱斑檢測工作時，基本工作流程如下：開展飛行拍攝—結(jié)合實際需求完成路線規(guī)劃—監(jiān)測熱斑—分析獲取的圖像—標記其中的異常區(qū)域—在異常區(qū)域進行故障定位—生成檢測報告—通過計算獲取熱斑具體位置—結(jié)合故障情況選擇處理方式—結(jié)合自身需求選擇無人機。

為保證實際工作效率和工作質(zhì)量，文章收集了三種常見無人機的參數(shù)，供工作人員參考，如表1 所示。結(jié)合表1 發(fā)現(xiàn)，常見無人機各有優(yōu)劣。例如，雖然固定翼無人機續(xù)航時間較長，但是無法懸停；與多旋翼無人機與固定翼無人機相比，無人直升機性能中等，但是應用成本、操作難度較高，因此也不建議使用；多旋翼無人機成本較低，并且可以懸停，可以更好地滿足工作人員的工作需求，且操作難度較低，便于上手。因此，在絕大多數(shù)情況下，光伏電站會優(yōu)先選擇多旋翼無人機，但是并不排除選擇其他兩類無人機的可能，應結(jié)合實際情況確定。

表1 無人機類型及其參數(shù)

3.2 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成

（1）無人機巡檢系統(tǒng)。在工作開始前，需要完成準備工作，即在無人機中搭載高清攝像機、紅外攝像機及eLTE 集群通信終端，以滿足實際工作需求。在完成搭載工作并檢查確定沒有問題后，方可開展飛行巡檢工作。在巡檢過程中，應通過eLTE 系統(tǒng)將巡檢信息及時傳遞給電站控制室；電站控制室應在第一時間處理所接收的圖像數(shù)據(jù)，并且可憑借公網(wǎng)將圖像傳遞給總部集控中心。eLTE 集群系統(tǒng)的主要功能是將所接收的視頻、圖像定向傳遞給對應的eLTE 終端，加強總部與現(xiàn)場的聯(lián)系頻率，實現(xiàn)協(xié)同指揮，提高排障效率，保證質(zhì)量[4]。

（2）通信子系統(tǒng)。通信子系統(tǒng)的主要職能為實時傳遞，能夠第一時間將接收的信息傳遞給服務器，提高工作效率與質(zhì)量[5]。

（3）成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)的主要職能為在接收數(shù)據(jù)后第一時間生成被測目標紅外輻射能量分布圖，提高紅外熱成像圖獲取效率與質(zhì)量。在此過程中，工作人員需要借助較高分辨率的可見光攝像頭、紅外傳感器、紅外探測器及光學成像物鏡。熱成像圖可以幫助工作人員了解物體表面熱分布情況，為后續(xù)工作開展指明方向。

無人機紅外熱斑檢測系統(tǒng)包括眾多子系統(tǒng)，紅外熱成像系統(tǒng)是其核心子系統(tǒng)，主要由機載紅外熱像儀與嵌入式控制端兩部分組成。其中，機載紅外熱像儀主要職能為收集光伏組件的熱斑相關(guān)數(shù)據(jù)，在實際工作中，應優(yōu)先選擇質(zhì)量較輕、分辨率較高的紅外熱像儀，以提高所獲取圖像可視性。紅外熱像儀需要滿足一個硬性條件，即可以在-20～50 ℃的環(huán)境中穩(wěn)定運行。嵌入式控制端的主要職能為控制紅外熱像儀，實時傳圖與完成數(shù)據(jù)處理。

（4）軟件子系統(tǒng)。軟件子系統(tǒng)的主要職能為結(jié)合實際情況規(guī)劃飛行路線，完成熱斑監(jiān)測；標記存在異常區(qū)域，完成故障實施定位；在此過程中，應實時生成監(jiān)測報告[6]。

4 無人機紅外熱斑的判斷標準

工作人員在用無人機搭載紅外熱像儀時，需要提高對無人機飛行狀態(tài)的關(guān)注度，將其設定為平穩(wěn)飛行狀態(tài)，然后借助定航軌跡實現(xiàn)光伏板多角度拍攝，確保工作人員可以全面、具體地分析光伏板比表面狀態(tài)，判斷其表面能是否存在污漬、破損等情況，提高工作質(zhì)量[7]。如今，工作人員可以借助智能無人機搭載智能終端，通過熱信號傳遞，幫助工作人員了解電池板受損情況，在高空巡查過程中完成熱斑故障分析。除此之外，溫度數(shù)據(jù)可以供工作人員分析，因此應多次測量溫度。

隨著太陽光輻射不斷增強，熱斑效應將更加明顯，電磁組件溫度也將上升。如果電池組件存在熱斑故障，則在早、中、晚三個時間段，光伏組件表面會出非常明顯的溫度差。通過實際測試發(fā)現(xiàn)，在上午10 點，如果電池組件存在熱斑故障，則檢測溫度大約在40 ℃左右，但是其在正常運行狀態(tài)，溫度僅為18 ℃。在中午與下午，如果電池組件存在熱斑故障，則檢測溫度在75～95 ℃，但是其在正常運行狀態(tài)，溫度僅為42 ℃[8]。這就說明，如果工作人員檢測到的溫度數(shù)據(jù)超過70 ℃，則證明電池組件存在熱斑故障，應及時進行排查與維修。此外，工作人員在工作中還會使用GPS 傳感器，以實現(xiàn)相關(guān)記錄信息的存儲、記錄，為后續(xù)工作提供參考依據(jù)，提高工作效率。

5 大型光伏電站應用無人機紅外熱斑檢測的注意事項

（1）應盡可能避免強輔助光源或者太陽光的反射，在航拍過程中，應盡可能保證所獲取的數(shù)據(jù)是正常陽光的照射數(shù)據(jù)。

（2）應優(yōu)先選擇較高熱敏感度的紅外裝備，并保證在工作中，設備所對應的鏡頭面軸線與拍攝具體目標為垂直狀態(tài)，保證焦距對準[9]。

（3）結(jié)合實際情況完成溫感設置，在工作開始前，可憑借自動模式測量溫度范圍，然后借助手動方式完成水平及跨度設置，明確最小的溫度范圍。

（4）無人機搭載成像系統(tǒng)，要配備電量充足的電池，確保續(xù)航時間。

6 無人機紅外熱斑檢測技術(shù)的應用效果

以某大型光伏電站為例，為降低紅外熱斑故障發(fā)生概率，及時解決此類故障，該大型光伏電站工作人員針對無人機紅外熱斑檢測效果進行了具體實驗。在實驗中，為保證實驗結(jié)果的權(quán)威性，工作人員開展了對比試驗，將監(jiān)測區(qū)域細化為20 份，并且對無人機巡檢路線進行細化，然后以10 min 為檢測區(qū)間，對檢測結(jié)果進行對比分析，并配有專業(yè)檢測報告，以提高檢測結(jié)果的科學性與合理性。

對檢測結(jié)果進行對比可知：在抽檢的光伏組件中，僅有兩塊組件出現(xiàn)了熱斑，分別是第6 組串第12 排與第16 列的3#組件，在此時這一組件溫度為28 ℃，但是其局部溫度高達45 ℃，與組件溫差達到了17 ℃，證明此組件存在熱斑故障。

這一結(jié)果表明此檢測方法具有較強可行性，有關(guān)人員應重視此項技術(shù)，加大研究力度，挖掘其潛力，提高其應用范圍與頻率。

7 結(jié)束語

現(xiàn)階段，熱斑故障是光伏電站常見故障之一，也是給工作人員造成最大困擾的問題，嚴重限制了光伏電站發(fā)展，增加了安全事故的發(fā)生概率。借助無人機搭載紅外熱成像設備完成熱斑維修工作，不僅可以節(jié)約人力、物力，還可以降低經(jīng)營成本，提高工作效率與質(zhì)量。目前，我國在此方面的研究仍處于起步階段，存在較大提升空間，有關(guān)人員應加大研究力度，對其進行優(yōu)化，開發(fā)更多功能，挖掘此項技術(shù)潛力，推動我國光伏電站行業(yè)發(fā)展。