0 引言

隨著大量規(guī)?；夥娬镜穆涑?，光伏組件巡檢工作的體量也越來(lái)越大，引起了諸多學(xué)者和企業(yè)家的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在光伏電站系統(tǒng)中，光伏組件污漬、遮擋、熱斑等問(wèn)題占電站設(shè)備故障率的50%以上，若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題并及時(shí)處理，電站的總體效率將大幅提升。

目前光伏組件的故障監(jiān)測(cè)一般通過(guò)以下2種方法進(jìn)行：

1)通過(guò)監(jiān)測(cè)組件發(fā)電時(shí)的輸出電壓和輸出功率進(jìn)行排查。該方法的不足之處在于只能進(jìn)行粗略排查，難以精確定位到具體的光伏組件，更難以發(fā)現(xiàn)電池片的內(nèi)部故障。

2)借助所有故障均會(huì)表現(xiàn)為溫度異常的特性，通過(guò)人工攜帶溫度測(cè)量?jī)x器，逐一對(duì)發(fā)熱組件進(jìn)行測(cè)量記錄。該方法可以發(fā)現(xiàn)各種故障導(dǎo)致的熱斑，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的精細(xì)檢查；但對(duì)于當(dāng)前建筑面積大、組件數(shù)量多的規(guī)模性光伏電站而言，這一方法效率非常低，并且人為檢查主觀性強(qiáng)、可靠性差。

針對(duì)以上2種巡檢方法的不足，近年來(lái)，業(yè)內(nèi)人士提出通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭或紅外熱像儀對(duì)光伏電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法[1-3]。該新興方法或基于集群通信，可以高質(zhì)量、快速地檢測(cè)到光伏組件的熱斑、遮擋、隱裂等問(wèn)題；但是由于整個(gè)巡檢系統(tǒng)復(fù)雜、投入大，對(duì)運(yùn)維人員的專業(yè)技能要求高，較適合在超大規(guī)模光伏電站中使用，目前在絕大多數(shù)電站中還少有運(yùn)用；有的巡檢系統(tǒng)還存在自動(dòng)化程度不高的情況。

對(duì)于中、大規(guī)模電站而言，考慮到電站巡檢的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，本文提出脫離集群通信，僅利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)光伏電站進(jìn)行全自動(dòng)巡檢的方法，可在很大程度上提高中、大規(guī)模光伏電站的維護(hù)質(zhì)量和可靠性，提升電站的總體效率。

1 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)

圖1是基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)示意圖，包括搭載紅外熱像儀的無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)地面站、地面充電設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元。其中，無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)通過(guò)紅外熱像儀采集光伏組件的紅外圖像；無(wú)人機(jī)地面站負(fù)責(zé)保障無(wú)人機(jī)與地面站的實(shí)時(shí)通信，并通過(guò)航跡規(guī)劃或手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)的飛行速度、高度和紅外熱像儀的拍攝角度，以獲取無(wú)人機(jī)的飛行信息和光伏組件的紅外圖像信息；地面充電設(shè)備負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)充電，保證無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)將采集到的紅外圖像信息進(jìn)行處理，進(jìn)而標(biāo)記太陽(yáng)電池的故障情況，并生成對(duì)應(yīng)的故障報(bào)表。

圖1 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)示意圖

在無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)采用自主研發(fā)的M1六旋翼機(jī)，搭載紅外熱像儀飛行巡檢。無(wú)人機(jī)的自航儀包括飛控、GPS和聲吶，并配置遙控器用于輔助控制。該無(wú)人機(jī)的速度可達(dá)80 km/h，飛行高度為120～200 m；在18 km/h風(fēng)速內(nèi)能自穩(wěn)或定點(diǎn)懸停；在40 km/h風(fēng)速時(shí)，定點(diǎn)懸停誤差在30 cm以內(nèi)，抗風(fēng)能力6級(jí)；30～60 min可以檢測(cè)完20 MW組件(理論上，在STC標(biāo)準(zhǔn)下，單排光伏組件的傾斜高度為4.8 m、長(zhǎng)度為15 km的檢測(cè)面積)中每一塊組件的溫度，精度是0.2e。無(wú)人機(jī)的動(dòng)力由大容量鋰電池和所配備的地面充電設(shè)備共同保障；其上的大容量存儲(chǔ)裝置保證了飛行過(guò)程中所拍攝到的影像資料的存儲(chǔ)，無(wú)人機(jī)地面站起落點(diǎn)設(shè)置了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，方便影像數(shù)據(jù)的傳輸。紅外熱像儀分辨率為640像素×480像素，測(cè)溫范圍為-20～250 ℃。

2 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)工作流程

應(yīng)用于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)的工作流程如圖2所示。

圖2 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)流程圖

光伏電站在制定巡檢計(jì)劃時(shí)，首先要進(jìn)行巡檢前期的準(zhǔn)備工作，工作人員應(yīng)參照現(xiàn)有資料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定所要巡檢的光伏電站的大小，結(jié)合紅外熱像儀的拍攝視角及分辨率來(lái)確定無(wú)人機(jī)的飛行高度和紅外熱像儀單次拍攝紅外圖像區(qū)域的大小，從而規(guī)劃、計(jì)算并制定無(wú)人機(jī)的飛行路線及懸停拍照位置；考察一天中各個(gè)時(shí)間段的光照強(qiáng)度，選擇光照較強(qiáng)的時(shí)間段確定為無(wú)人機(jī)的巡檢時(shí)間。

無(wú)人機(jī)起飛后，依據(jù)提前設(shè)定的路線開(kāi)始巡檢，到懸停拍照位置時(shí)無(wú)人機(jī)自主懸停，同時(shí)調(diào)整紅外熱像儀拍攝鏡頭所在的平面，使其與光伏組件所在的平面保持平行，進(jìn)行拍攝，拍攝所得的紅外圖像信息存儲(chǔ)在紅外熱像儀自帶的存儲(chǔ)空間；整個(gè)過(guò)程完成后無(wú)人機(jī)繼續(xù)按設(shè)置的路線飛行，到下一個(gè)懸停位置懸停、拍照、存儲(chǔ)紅外圖像，依次巡檢一周；完成后，無(wú)人機(jī)返回并降落到移動(dòng)保障平臺(tái)上，并將拍攝的紅外圖像信息自動(dòng)上傳到云存儲(chǔ)空間，完成數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)利用智能充電系統(tǒng)自主充電，等待下一次的巡檢。巡檢頻率可以根據(jù)具體需要自行設(shè)定。

3 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢故障自動(dòng)識(shí)別

圖像的自動(dòng)識(shí)別可以克服人為識(shí)別主觀性強(qiáng)、效率低等問(wèn)題，但需要對(duì)云存儲(chǔ)中心的紅外圖像信息進(jìn)行以下5個(gè)步驟的計(jì)算和處理：

1)紅外圖像拼接。采用圖像拼接技術(shù)，將分塊的紅外圖像信息拼接在一起，還原光伏組件區(qū)域的整體模樣。

2)光伏組件有效區(qū)域檢測(cè)。將圖像進(jìn)行噪聲濾除，同時(shí)保留圖像的邊緣，采用相關(guān)算法提取并圈定組件的有效區(qū)域。

3)光伏組件溫度計(jì)算。對(duì)有效區(qū)域的圖像進(jìn)行灰度拉伸增加對(duì)比度，利用相關(guān)算法將圖像的灰度值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度值，每塊組件取最高溫度。

4)組件溫度值分區(qū)域比較。將測(cè)得的溫度值與設(shè)定的閾值溫度進(jìn)行比較，溫差在正常范圍內(nèi)的區(qū)域標(biāo)記為“0”，代表電池片正常，超過(guò)閾值溫度范圍的標(biāo)記為“1”，代表電池片故障。

5)打印輸出故障報(bào)表。最后生成一個(gè)包含“0”和“1”信息的、與整幅紅外圖像對(duì)應(yīng)的故障報(bào)表，并打印輸出。

工作人員可以根據(jù)輸出的故障報(bào)表對(duì)光伏電站進(jìn)行維護(hù)。

4 基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)與其他巡檢方法的比較

基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)整個(gè)巡檢過(guò)程中故障判斷標(biāo)準(zhǔn)一致；

2)故障檢測(cè)快速、高效；

3)可在光伏組件工作狀態(tài)下檢測(cè)，巡檢過(guò)程不會(huì)損壞光伏組件；

4)可及時(shí)提供數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，巡檢結(jié)果直觀明了，維護(hù)操作性強(qiáng)；

5)可根據(jù)需要設(shè)定巡檢時(shí)間，整個(gè)巡檢過(guò)程全自動(dòng)。

相較于基于集群通信的光伏電站故障檢測(cè)方法而言，無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，資本和人力投入較少，可操作性強(qiáng)。經(jīng)分析，若采用綜合能效比PR值來(lái)評(píng)價(jià)光伏電站的系統(tǒng)性能指標(biāo)，采用無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)可直接減少4%的因組件污漬造成的損失、4%的陣列遮擋及1%的溫度損失；可間接減少10%的清洗數(shù)量、30%的接線盒故障，以及50%的陣列火災(zāi)。

5 總結(jié)

綜上所述，本文所介紹的基于光伏電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)、紅外熱像儀對(duì)光伏電站進(jìn)行巡檢，全程自動(dòng)化處理，可以準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)光伏電站中光伏組件的遮擋熱斑、污漬及太陽(yáng)電池故障現(xiàn)象，結(jié)合GPS定位，可直接生成故障報(bào)表，方便后續(xù)維護(hù)人員處理。該系統(tǒng)極大地提高了光伏電站運(yùn)維效率的同時(shí)，還提高了可操作性，為中、大規(guī)模光伏電站的光伏組件巡檢提供了可靠的經(jīng)濟(jì)保障。