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(xué)院，陜西 西安 710038

0 引言

近幾年，隨著社會(huì)不斷發(fā)展、科技不斷成熟，高新技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用頻率不斷提高，無(wú)人機(jī)因其安全性與便捷性特點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用頻率也不斷提高。借助無(wú)人機(jī)搭載不同分辨率的CCD 相機(jī)、熱紅外相機(jī)、多光譜相機(jī)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(cè)等工作。

與傳統(tǒng)能源相比，太陽(yáng)能具有來源廣泛、污染性小、環(huán)保性高等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)其應(yīng)用頻率一直處于上升狀態(tài)。當(dāng)前，在光伏發(fā)電技術(shù)中，熱斑故障會(huì)對(duì)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(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。分析傳統(tǒng)熱斑檢測(cè)手段可知，工作人員在開展檢測(cè)工作時(shí)，需要借助升降車、掃描儀等設(shè)備，不僅會(huì)花費(fèi)較多的間接成本，工作危險(xiǎn)性也較高。借助無(wú)人機(jī)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(cè)手段無(wú)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(duì)發(fā)揮光伏電站最大價(jià)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(xì)微差異，導(dǎo)致輸出不均，進(jìn)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(yáng)光強(qiáng)度不同，導(dǎo)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(yīng)不僅會(huì)影響太陽(yáng)能電池性能，還會(huì)降低太陽(yáng)能電池使用壽命，增加光伏電站經(jīng)營(yíng)成本。

（2）太陽(yáng)能電池的部分能量被遮擋，對(duì)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(shí)解決此類問題，輕則導(dǎo)致光伏電站承擔(dān)一定經(jīng)濟(jì)損失，重則引發(fā)一系列安全事故，如電池局部被燒毀、火災(zāi)等。

2 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)原理

紅外熱像儀接收物體發(fā)射的紅外能量，然后形成對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(shí)，電池組件相應(yīng)負(fù)載會(huì)消耗更多電能，導(dǎo)致電池組件實(shí)際轉(zhuǎn)換功率下降。工作人員應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換或清理操作，以免造成更加嚴(yán)重的后果。

2.2 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過無(wú)人機(jī)搭載可見光成像吊艙及紅外雙光成像設(shè)備，然后借助熱斑定位實(shí)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(duì)光伏組件的掌控力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并清除出現(xiàn)的盲點(diǎn)；之后，可以借助三維立體模型完成后續(xù)操作[3]。無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高工作人員對(duì)料堆細(xì)節(jié)的掌控力度，提高工作精準(zhǔn)度；借助無(wú)人機(jī)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(yíng)成本，且此項(xiàng)操作具有極強(qiáng)的可操作性；與傳統(tǒng)運(yùn)維檢測(cè)手法所不同，此操作不需要斷電，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，并且靈活性較高，在實(shí)際工作中，運(yùn)行穩(wěn)定性較高。

3 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的具體流程和系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的具體流程

通常情況下，工作人員在開展無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)工作時(shí)，基本工作流程如下：開展飛行拍攝—結(jié)合實(shí)際需求完成路線規(guī)劃—監(jiān)測(cè)熱斑—分析獲取的圖像—標(biāo)記其中的異常區(qū)域—在異常區(qū)域進(jìn)行故障定位—生成檢測(cè)報(bào)告—通過計(jì)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(wú)人機(jī)。

為保證實(shí)際工作效率和工作質(zhì)量，文章收集了三種常見無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)各有優(yōu)劣。例如，雖然固定翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，但是無(wú)法懸停；與多旋翼無(wú)人機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相比，無(wú)人直升機(jī)性能中等，但是應(yīng)用成本、操作難度較高，因此也不建議使用；多旋翼無(wú)人機(jī)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(huì)優(yōu)先選擇多旋翼無(wú)人機(jī)，但是并不排除選擇其他兩類無(wú)人機(jī)的可能，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定。

表1 無(wú)人機(jī)類型及其參數(shù)

3.2 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成

（1）無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)。在工作開始前，需要完成準(zhǔn)備工作，即在無(wú)人機(jī)中搭載高清攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)及eLTE 集群通信終端，以滿足實(shí)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(yīng)通過eLTE 系統(tǒng)將巡檢信息及時(shí)傳遞給電站控制室；電站控制室應(yīng)在第一時(shí)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(duì)應(yīng)的eLTE 終端，加強(qiáng)總部與現(xiàn)場(chǎng)的聯(lián)系頻率，實(shí)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(shí)時(shí)傳遞，能夠第一時(shí)間將接收的信息傳遞給服務(wù)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(shí)間生成被測(cè)目標(biāo)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(cè)器及光學(xué)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(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)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(jī)載紅外熱像儀與嵌入式控制端兩部分組成。其中，機(jī)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(shí)際工作中，應(yīng)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(gè)硬性條件，即可以在-20～50 ℃的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。嵌入式控制端的主要職能為控制紅外熱像儀，實(shí)時(shí)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(shí)際情況規(guī)劃飛行路線，完成熱斑監(jiān)測(cè)；標(biāo)記存在異常區(qū)域，完成故障實(shí)施定位；在此過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告[6]。

4 無(wú)人機(jī)紅外熱斑的判斷標(biāo)準(zhǔn)

工作人員在用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀時(shí)，需要提高對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的關(guān)注度，將其設(shè)定為平穩(wěn)飛行狀態(tài)，然后借助定航軌跡實(shí)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(wú)人機(jī)搭載智能終端，通過熱信號(hào)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(yīng)多次測(cè)量溫度。

隨著太陽(yáng)光輻射不斷增強(qiáng)，熱斑效應(yīng)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(gè)時(shí)間段，光伏組件表面會(huì)出非常明顯的溫度差。通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在上午10 點(diǎn)，如果電池組件存在熱斑故障，則檢測(cè)溫度大約在40 ℃左右，但是其在正常運(yùn)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(cè)溫度在75～95 ℃，但是其在正常運(yùn)行狀態(tài)，溫度僅為42 ℃[8]。這就說明，如果工作人員檢測(cè)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(yīng)及時(shí)進(jìn)行排查與維修。此外，工作人員在工作中還會(huì)使用GPS 傳感器，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)記錄信息的存儲(chǔ)、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(yīng)用無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)的注意事項(xiàng)

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

（2）應(yīng)優(yōu)先選擇較高熱敏感度的紅外裝備，并保證在工作中，設(shè)備所對(duì)應(yīng)的鏡頭面軸線與拍攝具體目標(biāo)為垂直狀態(tài)，保證焦距對(duì)準(zhǔn)[9]。

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

（4）無(wú)人機(jī)搭載成像系統(tǒng)，要配備電量充足的電池，確保續(xù)航時(shí)間。

6 無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)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(shí)解決此類故障，該大型光伏電站工作人員針對(duì)無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)效果進(jìn)行了具體實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的權(quán)威性，工作人員開展了對(duì)比試驗(yàn)，將監(jiān)測(cè)區(qū)域細(xì)化為20 份，并且對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢路線進(jìn)行細(xì)化，然后以10 min 為檢測(cè)區(qū)間，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并配有專業(yè)檢測(cè)報(bào)告，以提高檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性與合理性。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)這一組件溫度為28 ℃，但是其局部溫度高達(dá)45 ℃，與組件溫差達(dá)到了17 ℃，證明此組件存在熱斑故障。

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

7 結(jié)束語(yǔ)

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(yán)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(wú)人機(jī)搭載紅外熱成像設(shè)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(yíng)成本，提高工作效率與質(zhì)量。目前，我國(guó)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(yīng)加大研究力度，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)更多功能，挖掘此項(xiàng)技術(shù)潛力，推動(dòng)我國(guó)光伏電站行業(yè)發(fā)展。