選用大疆inspire 1無人機(jī)作為飛行平臺，搭載FLRE Vue 機(jī)載熱像儀機(jī)芯，并選用三星的 S3C6410 處理器作為嵌入式終端，成功實(shí)現(xiàn)了自動化檢測熱斑效應(yīng);通過開發(fā)軟件對出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的組件進(jìn)行分析處理，得出了具體的熱斑檢測報(bào)告。通過無人機(jī)檢測光伏組件熱斑，大幅提高了電站紅外熱斑檢測效率。
熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的原因1
太陽電池的等效電路圖如圖1 所示。太陽電池主要是由p-n 結(jié)構(gòu)成的，p-n 結(jié)具有單向?qū)ㄐ?，類似于一個(gè)二極管，光照在太陽電池表面p-n 結(jié)產(chǎn)生電流，此時(shí)接上負(fù)載RL 就形成一個(gè)回路。
由于電池和背板都具有電阻，這些電阻的存在消耗了電壓，相當(dāng)于給電路中串聯(lián)了一個(gè)電阻，故將這部分電阻簡化為串聯(lián)電阻Rs;而硅片不清潔或缺陷時(shí)，流過電池的電流就相對變小，這相當(dāng)于給電路中并連了一個(gè)分流電阻，稱為并聯(lián)電阻Rsh;由于光生電流Iph 流過負(fù)載RL 時(shí)相當(dāng)于在電池端加了一個(gè)正向電壓，這樣就形成了暗電流ID。與熱斑關(guān)系最大的就是暗電流ID 及串聯(lián)電阻Rs[4]。太陽電池等效電路圖中，Ish 為流過串聯(lián)電阻Rs 的電流，I 為太陽電池實(shí)際的輸出電流。
當(dāng)電池片被落葉、鳥糞等異物遮擋時(shí)，被遮擋部分不再發(fā)電且相當(dāng)于給一個(gè)負(fù)載加上了反偏電壓，會產(chǎn)生更大的暗電流，此時(shí)被遮擋部分由于消耗功率而產(chǎn)生熱斑，如果暗電流過大則導(dǎo)致電池片擊穿[5]。如果電池片本身有缺陷，部分位置內(nèi)阻過大或溫度過高，從而引起熱斑效應(yīng)，這樣也會產(chǎn)生電池片裂片、燒毀等嚴(yán)重后果[6]。
近年來，由于熱斑效應(yīng)引起電站起火的事件時(shí)有發(fā)生，這給人類財(cái)產(chǎn)和人身安全造成了很大的危害。因此，在實(shí)際的光伏電站中，熱斑檢測成為電站運(yùn)維必不可少的一個(gè)指標(biāo)。
自動化檢測熱斑效應(yīng)方案2
針對傳統(tǒng)熱斑效應(yīng)檢測方法的諸多不便，本文提出一種自動化檢測熱斑效應(yīng)的方案。自動化檢測熱斑效應(yīng)的系統(tǒng)主要由無人機(jī)、機(jī)載紅外熱像儀及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。具體的檢測流程圖如圖2 所示。
2.1 無人機(jī)的選擇
目前市面上無人機(jī)主要分為3 種：固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)及多旋翼無人機(jī)。3 種無人機(jī)的比較如表1 所示，固定翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長，但是無法懸停;無人直升機(jī)各項(xiàng)性能適中，但是成本很高，操作難度也大;對比之后最終選擇成本低、操作難度小、可懸停的多旋翼無人機(jī)。
多旋翼無人機(jī)已應(yīng)用在森林消防、警用、高壓線路巡檢、測繪、風(fēng)電葉片檢測等多個(gè)領(lǐng)域[7-11]，在這些領(lǐng)域其發(fā)揮了機(jī)動性強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，大幅縮減了人力及測試周期，因此，本設(shè)計(jì)也采用多旋翼無人機(jī)。
目前市面上的多旋翼無人機(jī)種類繁多，其中，大疆無人機(jī)是國內(nèi)市場較為成熟的產(chǎn)品之一，具有性能穩(wěn)定、產(chǎn)品集成度高、便于操作和后期開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用大疆inspire 1 無人機(jī)，如圖3 所示。
2.2 紅外熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
紅外熱成像系統(tǒng)是無人機(jī)檢測熱斑效應(yīng)設(shè)計(jì)的核心部分，主要由兩大塊組成：機(jī)載紅外熱像儀及嵌入式控制端。
機(jī)載紅外熱像儀用于實(shí)現(xiàn)對光伏組件熱斑的數(shù)據(jù)采集，由于手持紅外熱像儀較大且笨重，不適合搭載在無人機(jī)上面進(jìn)行紅外熱斑檢測，本設(shè)計(jì)采用的FLIR Vue 機(jī)載紅外熱像儀機(jī)( 如圖4 所示) 僅重100 g 左右，不會影響無人機(jī)重心或縮短飛行時(shí)間。FLIR Vue 分辨率可達(dá)640PPI×512PPI，大幅增強(qiáng)了圖像的可視性;工作溫度在-20 ℃～+50 ℃之間，可適應(yīng)室外比較惡劣的環(huán)境;通過簡單的電源輸入和視頻輸出連接，即可輕松與任何平臺實(shí)現(xiàn)集成，并在飛行平臺上使用。
嵌入式控制端采用三星的S3C6410 處理器( 如圖5 所示) 來實(shí)現(xiàn)對機(jī)載熱像儀的控制及實(shí)時(shí)圖傳、數(shù)據(jù)處理功能。S3C6410 處理器長寬尺寸僅為5 cm×6 cm，可方便地與FLIR Vue 機(jī)芯對接。S3C6410 處理器擁有眾多的數(shù)據(jù)接口，其中GPS 接口可接入GPS 模塊，通過將GPS 信息疊加在紅外熱斑圖像上，方便后期定位故障的光伏組件;通過無線網(wǎng)卡接口可實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸，方便在檢測的過程中懸停拍攝故障組件以得到詳細(xì)數(shù)據(jù);SD 卡座接口可插入SD 卡，以實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的存儲，方便后期處理。
自動化檢測熱斑效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)3
3.1 應(yīng)用實(shí)例概述
2017 年2 月16 日，西安熱工研究院工作人員攜帶無人機(jī)系統(tǒng)對華能集團(tuán)浙江長興電站洪橋光伏發(fā)電有限公司20 MW 光伏電站進(jìn)行光伏熱斑檢測。當(dāng)天天氣晴朗、無風(fēng)，適合使用無人機(jī)對光伏組件進(jìn)行熱斑檢測。
光伏電站采用多晶硅光伏組件，工作人員到達(dá)現(xiàn)場后首先確定檢測區(qū)域，從中抽選了16 排光伏組件，然后設(shè)定無人機(jī)自動巡檢路線，該16排組件容量為2 MW，檢測用時(shí)10 min，后續(xù)用軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行分析并出具了檢測報(bào)告。
3.2 無人機(jī)檢測結(jié)果
經(jīng)過對檢測結(jié)果對比分析，發(fā)現(xiàn)抽檢的16排光伏組件中，共有4 塊組件出現(xiàn)熱斑，具體為：1)1# 組件位于第5 組串的第11 排、自西向東第11 列，組件溫度為28℃，組件局部溫度為42 ℃，比組件溫度高出了14 ℃，判定該塊組件有熱斑，如圖7 所示;2)2# 組件位于第7 組串的第11 排、自西向東第7 列，該組件溫度為28 ℃，局部溫度為42.8 ℃，比組件溫度高出了14.8 ℃，判定該塊組件有熱斑，如圖8 所示;3)3# 組件位于第3 組串的第12 排、自東向西第5 列，該組件溫度為32.4 ℃，局部溫度為45.6 ℃，比組件溫度高出了13.2 ℃，判定該塊組件有熱斑，如圖9所示;4)4# 組件位于第4 組串的第13 排、自西向東第6 列，該組件溫度為33.8 ℃，局部溫度為47.2 ℃，比組件溫度高出了13.4 ℃，判定該塊組件有熱斑，如圖10 所示。
總結(jié)4
1) 采用無人機(jī)檢測光伏組件熱斑效應(yīng)，不僅可探測出光伏組件表面的溫度異常點(diǎn)，還可清晰分辨出光伏陣列的異?，F(xiàn)象。按此次巡檢速度，預(yù)計(jì)2 天即可完成20 MW 電站陣列巡檢，比人工巡檢效率高出數(shù)十倍( 人工使用1 臺手持式紅外熱像儀巡檢預(yù)計(jì)需要1～2 周時(shí)間，不僅工作量巨大繁瑣，且容易存在漏檢、上排組件成像效果差等問題)，并且無人機(jī)能到達(dá)人工不易進(jìn)行現(xiàn)場巡檢的地方。
2) 使用可見光相機(jī)，可清晰展現(xiàn)光伏電站的整體狀態(tài)，快速確定樹木遮擋、組件脫落等故障。
3) 本次巡檢僅針對電站的小部分區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了典型發(fā)熱異常區(qū)域，溫差接近20 ℃，存在潛在的熱斑隱患，建議使用EL 測試儀進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與排查。
4) 從被巡檢區(qū)域整體表現(xiàn)來看，該電站施工質(zhì)量良好，光伏陣列故障比率較低，光伏組件整體熱斑比率較低，優(yōu)于行業(yè)整體電站表現(xiàn)，建議后期定期巡檢。
5) 建議電站運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，涵蓋土建施工、現(xiàn)場安全性能、 現(xiàn)場發(fā)電性能、關(guān)鍵器件現(xiàn)場性能、光伏系統(tǒng)綜合效率等方面的測試，以確保該電站長期、高效、安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
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