中電（福建）電力開發(fā)有限公司 程 霄 中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 曹晟磊

甘肅中電瓜州風(fēng)力發(fā)電有限公司 李 強(qiáng) 蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司 王 瀟

隨著人們對(duì)于能源開發(fā)和利用的深入，清潔能源的開發(fā)逐漸受到了重視。其中太陽能發(fā)電以其低成本、無污染、可持續(xù)利用的特點(diǎn)深受各國(guó)能源行業(yè)的青睞。中國(guó)太陽能資源豐富，普遍呈現(xiàn)高原大于平原、西大于東的分布格局，這就決定了我國(guó)有部分光伏電站建在沙漠、戈壁等地。這些地方通常地廣人稀、光源充足，但是光伏板也面臨著飛鳥、塵土、落葉等物體的遮擋，久而久之，被遮擋部分阻抗增大變?yōu)樨?fù)載，負(fù)載不斷發(fā)熱導(dǎo)致局部溫度異常升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀組件，這就是熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象給光伏板的損害是不可逆且不可修復(fù)的。據(jù)國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，熱斑現(xiàn)象會(huì)降低光伏板10%以上的實(shí)際壽命。

目前，光伏電站的日常運(yùn)行和維護(hù)主要取決于電站逆變器的電流、電壓和其他電氣特性受逆變器和匯流箱安裝方式的限制，電氣操作和維護(hù)僅精確至組串而非特定組件，由于天氣原因還會(huì)導(dǎo)致故障診斷精度下降[1]。目前光伏電站的日常檢查主要依靠人力，但大部分光伏電站都建在屋頂、山地、沙漠、戈壁灘、甚至水上，地理環(huán)境非常復(fù)雜，且大型光伏電站光伏板分布較為廣闊，此時(shí)靠人工巡檢就顯得十分艱難。

在光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之時(shí)，無人機(jī)行業(yè)也在蒸蒸日上。無人機(jī)又稱無人駕駛飛行器，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器[2]。無人機(jī)有價(jià)格低廉、綠色環(huán)保、小巧靈活等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事、科技等行業(yè)均有應(yīng)用。無人機(jī)巡查基本不受地形限制、高效靈活，極大方便了電站工作人員的日常操作和維護(hù)。

紅外相機(jī)功能可以檢測(cè)組件的外表面溫度，還能發(fā)現(xiàn)由光伏組件內(nèi)部引起的故障，并根據(jù)外表面溫度判定故障的嚴(yán)重程度[3]。借助無人機(jī)對(duì)紅外光成像吊艙進(jìn)行搭載，利用熱斑定位從多角度對(duì)光伏板進(jìn)行拍攝巡檢，能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的實(shí)際熱斑情況進(jìn)行全面拍攝[3]。因此采用無人機(jī)攜紅外光成像吊艙對(duì)光伏電站進(jìn)行巡檢，可以極大提高巡檢效率、降低運(yùn)維成本，對(duì)保障光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。本文將通過實(shí)際案例論證無人機(jī)熱斑檢測(cè)的可行性、可靠性及便捷性。

1 光伏組件紅外熱成像原理

任何物體都會(huì)產(chǎn)生紅外線輻射，光伏組件上產(chǎn)生的紅外輻射強(qiáng)度與光伏組件表面的溫度高低相對(duì)應(yīng)。分布在被測(cè)物體表面的輻射能的強(qiáng)度可以用利用不同波長(zhǎng)的可見光來表示，這就是紅外熱成像系統(tǒng)的原理。紅外熱成像系統(tǒng)應(yīng)用在光伏組件上的工作過程是將光伏組件的紅外線輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再利用光電效應(yīng)將轉(zhuǎn)換好的電子信號(hào)在顯示器上顯示，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。組件的紅外輻射能量分布由電子信號(hào)表示，最后的組件紅外圖像顯示在地面站遙控的顯示屏上，同時(shí)顯示了物體溫度的分布[4]。

熱傳遞是指物體間和材料內(nèi)的熱交換過程。在物體和環(huán)境之間，熱平衡代數(shù)方程符合能量守恒定律：g+jcnv=qcnd+qcnv+M，式中，g 為物體發(fā)出的能量，jcnv為物體從周圍環(huán)境吸收的熱量，通過傳導(dǎo)熱量qcnd、對(duì)流熱量qcnv和輻射熱量M 將這兩種熱量發(fā)散出去，其中輻射熱量占比較多。

物體遵循Planck 定律：Mλ=C1/λ5×1/(C2/(λT-1))，式中，C1和C2都是輻射常數(shù)，而λ 和T 分別表示目標(biāo)物體的輻射波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度。根據(jù)Stefan Boltzmann 定律，輻射熱量M 的值為：M=εσT4，式中，σ 是Stefan Boltzmann 常數(shù)，ε 為目標(biāo)物體表面輻射度，T 為目標(biāo)物體的絕對(duì)溫度。從公式中可知，輻射量M 與目標(biāo)物體絕對(duì)溫度T 成正比，目標(biāo)物體絕對(duì)溫度越高輻射熱量M 越大。

熱斑成因。光伏電站中熱斑的形成原因主要有以下兩點(diǎn)：一是光伏板在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生些許誤差，這些誤差會(huì)導(dǎo)致輸出不均；二是部分發(fā)電組件被云、灰塵、鳥糞等遮擋，上述情況存在的時(shí)間一長(zhǎng)，將導(dǎo)致發(fā)電模塊的電池不平衡，不僅會(huì)影響組件的正常輸出，增加局部阻抗并消耗能量，異常升高溫度并形成熱斑[3]。

熱斑形成的影響。一方面，熱斑效應(yīng)對(duì)光伏板的使用壽命造成不可逆的影響，同時(shí)增加發(fā)電成本；另一方面，光照部分的組件所產(chǎn)生的能量會(huì)被部分被被遮擋部分消耗，造成輸出與發(fā)電效率雙雙下降。如果未及時(shí)對(duì)熱斑位置進(jìn)行摸排，可能會(huì)導(dǎo)致邊緣焊點(diǎn)脫落、蓋板炸裂、電池?zé)龤У群蠊鸞5]。

2 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)介紹

2.1 無人機(jī)選型

由于無人機(jī)在巡檢拍攝時(shí)要同時(shí)監(jiān)測(cè)熱斑、分析圖像、標(biāo)記異常和故障定位，所以無人機(jī)選型非常重要，常見三種類型的無人機(jī)如表1所示。

表1 無人機(jī)類型及參數(shù)表

由于多旋翼無人機(jī)操作難度低且能懸停，雖然存在電池續(xù)航的問題，但是現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了斷點(diǎn)續(xù)飛功能，即無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)中途降落更換電池，起飛后仍可以飛回原來的位置繼續(xù)執(zhí)行剩余任務(wù)，故一般選擇多旋翼無人機(jī)進(jìn)行巡檢航拍。

2.2 無人機(jī)熱斑檢測(cè)系統(tǒng)

多旋翼無人直升機(jī)搭載紅外熱像儀航拍光伏發(fā)電項(xiàng)目時(shí)，通過5G 平臺(tái)無人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和航拍景象會(huì)同步傳遞到地面站，操控人員事先輸入飛行路線后由遙控控制無人機(jī)起飛，收到指令后無人機(jī)會(huì)自動(dòng)前往拍攝地完成航拍，并將采集到的圖片與數(shù)據(jù)自動(dòng)處理標(biāo)記對(duì)應(yīng)位置后存入紅外熱像儀的SD卡中[5]。多旋翼無人機(jī)主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、通信鏈路系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中通信鏈路系統(tǒng)為無人機(jī)飛行平臺(tái)和地面站系統(tǒng)提供信息交互[2]。如圖1所示為多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，飛行平臺(tái)模塊包含有GPS 模塊、傳感器模塊、電源模塊、飛行控制模塊、云臺(tái)及控制模塊以及任務(wù)設(shè)備模塊，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)飛行平臺(tái)模塊框圖

飛控模塊是無人機(jī)飛行過程中完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返航回收的核心，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的全面管控[2]。傳感器模塊主要包含有氣壓計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)等，該模塊根據(jù)每個(gè)傳感器的傳送的數(shù)據(jù)計(jì)算出無人機(jī)的飛行狀態(tài)，這會(huì)使無人機(jī)按照預(yù)定航線穩(wěn)定飛行。為無人機(jī)提供巡航路線則是由GPS 模塊負(fù)責(zé)，電源模塊用以供應(yīng)電源，任務(wù)裝備模塊是無人機(jī)根據(jù)不同任務(wù)選擇使用的各種不同裝備，拍攝角度由云臺(tái)及控制模塊負(fù)責(zé)。

地面站系統(tǒng)是一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)的核心，一個(gè)地面站系統(tǒng)的好壞取決于是否有好的無人機(jī)地面站監(jiān)控軟件。當(dāng)前，市場(chǎng)上絕大部分無人機(jī)監(jiān)控軟件都能提供可視化窗口、檢測(cè)飛行數(shù)據(jù)還能提供實(shí)時(shí)控制、航線規(guī)劃等功能[2]。

3 無人機(jī)熱斑檢測(cè)流程

目前無人機(jī)熱斑檢測(cè)的流程大致包含五個(gè)步驟：第一，科學(xué)制定無人機(jī)飛行路線，做到覆蓋全站無遺漏；第二，基于特定需求拍攝圖片同時(shí)獲取信息并生成可見光——紅外圖像；第三，建立好熱斑檢測(cè)模型；第四，對(duì)無人機(jī)拍攝的光伏板照片進(jìn)行熱斑分析；第五，輸出結(jié)果并生成報(bào)告。下面對(duì)以上步驟進(jìn)行具體論述。

制定飛行路線。制定無人機(jī)航拍路線時(shí)應(yīng)本著航拍安全、高效采集兩個(gè)原則，確保飛行路線的合理性的同時(shí)避免漏拍和重復(fù)拍攝。在實(shí)踐中我們一般采取先整體航拍全站面貌，再通過分割出具體飛行區(qū)域來制定不同類型的飛行路線。無人機(jī)安裝檢查和無人機(jī)自檢必須在飛行前進(jìn)行，之后輸入飛行路線并調(diào)整高度角參數(shù)，設(shè)定GPS 傳感器需要確保無人機(jī)上兩個(gè)攝像頭拍攝的光伏組件處于可視化窗口圖像的中心[6]。

及時(shí)拍攝圖像。飛行路線規(guī)劃后進(jìn)行圖像拍攝。在飛行模塊的控制下，無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的路線抓拍組件照片，同時(shí)傳輸溫度數(shù)據(jù)到地面站，并通過任務(wù)設(shè)備模塊生成實(shí)時(shí)圖像。

建立光伏熱斑檢測(cè)模型。將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將異常數(shù)據(jù)剔除。利用灰色相關(guān)投影法將與被測(cè)日相同的歷史環(huán)境元素進(jìn)行選擇，主要變量為光線和溫度。選擇類似于待測(cè)日的歷史數(shù)據(jù)作為隔離森林算法的樣本數(shù)據(jù)從而對(duì)算法進(jìn)行訓(xùn)練。接著收集各條支路的數(shù)據(jù)作為診斷的依據(jù)，及時(shí)確定各支路的異常情況，支路故障往往出現(xiàn)在那些評(píng)分較大的支路[4]，如圖3為熱斑流預(yù)測(cè)流程圖。

圖3 光伏熱斑預(yù)測(cè)流程圖

展開圖像分析。對(duì)于拍攝的圖片可以利用圖像處理模塊進(jìn)行處理，軟件會(huì)智能分析紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)標(biāo)記熱斑位置。

生成檢測(cè)報(bào)告。模塊熱斑的狀態(tài)信息會(huì)通過UI模塊在報(bào)告中體現(xiàn)，光伏電站維護(hù)人員可以通過檢測(cè)報(bào)告來了解組件熱斑的詳細(xì)位置以及狀態(tài)，從而進(jìn)行維護(hù)來保障光伏電站平穩(wěn)運(yùn)行。

4 具體案例

安徽某10MW 屋頂光伏電站利用無人機(jī)進(jìn)行紅外熱斑檢測(cè)，從電站工作人員處得知電站光伏板全部采用多晶硅組件，操作人員對(duì)全站進(jìn)行了組件紅外熱斑檢測(cè)，共計(jì)花費(fèi)半個(gè)小時(shí)，后續(xù)采用軟件對(duì)無人機(jī)航拍結(jié)果進(jìn)行分析并生成報(bào)告。本次熱斑檢測(cè)共處理航點(diǎn)80個(gè)，共計(jì)檢測(cè)出缺陷29個(gè)，其中有缺陷航點(diǎn)20個(gè)、占比25%，無缺陷航點(diǎn)60個(gè)、占比75%。其中條狀熱斑23個(gè)、占比79.3%，多斑5個(gè)、占比17.2%，空載1個(gè)、占比3.4%，如圖4為紅外熱斑分布圖，紅點(diǎn)表示該區(qū)域存在故障缺陷。圖5為無人機(jī)拍攝的紅外熱斑瓦塊圖其中框出的相比周圍更亮的位置即為熱斑。

圖4 安徽某10MW 光伏電站紅外熱斑分布圖

圖5 安徽某10MW 光伏電站紅外熱斑瓦塊圖

5 結(jié)語

光伏電站普遍容易產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，而熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅會(huì)影響電站的發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)電站的平穩(wěn)安全運(yùn)行造成影響。通過搭載紅外熱像儀的無人機(jī)在光伏電站中的熱斑檢測(cè)和巡檢功能能大大減少人力成本并增加檢測(cè)的精確度。到目前為止，無人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)在光伏電站中的運(yùn)用還不夠完善，需要加強(qiáng)該方面的深入研究，以滿足更多工作中的實(shí)際需求。