無人機檢測光伏組件熱斑效應的設計與實現

選用大疆inspire 1 無人機作為飛行平台，搭載FLRE Vue 機載熱像儀機芯，並選用三星的 S3C6410 處理器作為嵌入式終端，成功實現了自動化檢測熱斑效應；通過開發軟體對出現熱斑效應的組件進行分析處理，得出了具體的熱斑檢測報告。通過無人機檢測光伏組件熱斑，大幅提高了電站紅外熱斑檢測效率。

熱斑效應產生的原因

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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 結構成的，p-n 結具有單嚮導通性，類似於一個二極體，光照在太陽電池表面p-n 結產生電流，此時接上負載RL 就形成一個迴路。

由於電池和背板都具有電阻，這些電阻的存在消耗了電壓，相當於給電路中串聯了一個電阻，故將這部分電阻簡化為串聯電阻Rs；而矽片不清潔或缺陷時，流過電池的電流就相對變小，這相當於給電路中並連了一個分流電阻，稱為並聯電阻Rsh；由於光生電流Iph 流過負載RL 時相當於在電池端加了一個正向電壓，這樣就形成了暗電流ID。與熱斑關係最大的就是暗電流ID 及串聯電阻Rs[4]。太陽電池等效電路圖中，Ish 為流過串聯電阻Rs 的電流，I 為太陽電池實際的輸出電流。

當電池片被落葉、鳥糞等異物遮擋時，被遮擋部分不再發電且相當於給一個負載加上了反偏電壓，會產生更大的暗電流，此時被遮擋部分由於消耗功率而產生熱斑，如果暗電流過大則導致電池片擊穿[5]。如果電池片本身有缺陷，部分位置內阻過大或溫度過高，從而引起熱斑效應，這樣也會產生電池片裂片、燒毀等嚴重後果[6]。

近年來，由於熱斑效應引起電站起火的事件時有發生，這給人類財產和人身安全造成了很大的危害。因此，在實際的光伏電站中，熱斑檢測成為電站運維必不可少的一個指標。

自動化檢測熱斑效應方案

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針對傳統熱斑效應檢測方法的諸多不便，本文提出一種自動化檢測熱斑效應的方案。自動化檢測熱斑效應的系統主要由無人機、機載紅外熱像儀及相應的控制系統組成。具體的檢測流程圖如圖2 所示。

2.1 無人機的選擇

目前市面上無人機主要分為3 種：固定翼無人機、無人直升機及多旋翼無人機。3 種無人機的比較如表1 所示，固定翼無人機續航時間長，但是無法懸停；無人直升機各項性能適中，但是成本很高，操作難度也大；對比之後最終選擇成本低、操作難度小、可懸停的多旋翼無人機。

多旋翼無人機已應用在森林消防、警用、高壓線路巡檢、測繪、風電葉片檢測等多個領域[7-11]，在這些領域其發揮了機動性強、速度快等優點，大幅縮減了人力及測試周期，因此，本設計也採用多旋翼無人機。

目前市面上的多旋翼無人機種類繁多，其中，大疆無人機是國內市場較為成熟的產品之一，具有性能穩定、產品集成度高、便於操作和後期開發等優點。本設計選用大疆inspire 1 無人機，如圖3 所示。

2.2 紅外熱成像系統的設計

紅外熱成像系統是無人機檢測熱斑效應設計的核心部分，主要由兩大塊組成：機載紅外熱像儀及嵌入式控制端。

機載紅外熱像儀用於實現對光伏組件熱斑的數據採集，由於手持紅外熱像儀較大且笨重，不適合搭載在無人機上面進行紅外熱斑檢測，本設計採用的FLIR Vue 機載紅外熱像儀機( 如圖4 所示) 僅重100 g 左右，不會影響無人機重心或縮短飛行時間。FLIR Vue 解析度可達640PPI×512PPI，大幅增強了圖像的可視性；工作溫度在-20 ℃～+50 ℃之間，可適應室外比較惡劣的環境；通過簡單的電源輸入和視頻輸出連接，即可輕鬆與任何平台實現集成，並在飛行平台上使用。

嵌入式控制端採用三星的S3C6410 處理器( 如圖5 所示) 來實現對機載熱像儀的控制及實時圖傳、數據處理功能。S3C6410 處理器長寬尺寸僅為5 cm×6 cm，可方便地與FLIR Vue 機芯對接。S3C6410 處理器擁有眾多的數據介面，其中GPS 介面可接入GPS 模塊，通過將GPS 信息疊加在紅外熱斑圖像上，方便後期定位故障的光伏組件；通過無線網卡介面可實現圖像實時傳輸，方便在檢測的過程中懸停拍攝故障組件以得到詳細數據；SD 卡座介面可插入SD 卡，以實現對檢測數據的存儲，方便後期處理。

自動化檢測熱斑效應的實現

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3.1 應用實例概述

2017 年2 月16 日，西安熱工研究院工作人員攜帶無人機系統對華能集團浙江長興電站洪橋光伏發電有限公司20 MW 光伏電站進行光伏熱斑檢測。當天天氣晴朗、無風，適合使用無人機對光伏組件進行熱斑檢測。

光伏電站採用多晶硅光伏組件，工作人員到達現場後首先確定檢測區域，從中抽選了16 排光伏組件，然後設定無人機自動巡檢路線，該16排組件容量為2 MW，檢測用時10 min，後續用軟體對檢測結果進行分析並出具了檢測報告。

3.2 無人機檢測結果

經過對檢測結果對比分析，發現抽檢的16排光伏組件中，共有4 塊組件出現熱斑，具體為：1)1# 組件位於第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# 組件位於第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# 組件位於第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# 組件位於第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

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1) 採用無人機檢測光伏組件熱斑效應，不僅可探測出光伏組件表面的溫度異常點，還可清晰分辨出光伏陣列的異常現象。按此次巡檢速度，預計2 天即可完成20 MW 電站陣列巡檢，比人工巡檢效率高出數十倍( 人工使用1 台手持式紅外熱像儀巡檢預計需要1～2 周時間，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)，並且無人機能到達人工不易進行現場巡檢的地方。

2) 使用可見光相機，可清晰展現光伏電站的整體狀態，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域，發現了典型發熱異常區域，溫差接近20 ℃，存在潛在的熱斑隱患，建議使用EL 測試儀進行進一步驗證與排查。

4) 從被巡檢區域整體表現來看，該電站施工質量良好，光伏陣列故障比率較低，光伏組件整體熱斑比率較低，優於行業整體電站表現，建議後期定期巡檢。

5) 建議電站運行一段時間後，進行全面的質量檢查，涵蓋土建施工、現場安全性能、 現場發電性能、關鍵器件現場性能、光伏系統綜合效率等方面的測試，以確保該電站長期、高效、安全穩定的運行。

西安熱工研究院有限公司電站建設技術部

楊博* 謝小軍 馬茜溪 趙勇 張瑞剛

來源：《太陽能》雜誌社2018 年第1 期( 總第285 期)

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