謝海軍 倪慧葉 張騎虎 石煥江 朱怡良

摘要：隨著全球能源消耗加劇，環(huán)境污染嚴重，人們對清潔能源的發(fā)展需求越來越大.能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已成為全球共識，大力發(fā)展清潔能源對推進生態(tài)文明進程有重大意義.太陽能作為公認的清潔能源之一，近年來得到了快速發(fā)展，2017年累計光伏裝機規(guī)模已達到400GW.與此同時，中國新增光伏裝機量連續(xù)五年全球第一，截至2018年4月，中國并網(wǎng)光伏裝機容量已經(jīng)超過1.4億kW，體現(xiàn)了光伏發(fā)電蓬勃發(fā)展的大好前景.太陽能光伏板從制造、運輸、再到安裝，以及后續(xù)長時間在野外惡劣環(huán)境及氣候條件下運行的過程中，不可避免地會因為各種各樣的原因（機械應(yīng)力、光伏材料功能退化以及環(huán)境因素等）導(dǎo)致光伏板出現(xiàn)缺陷，進而導(dǎo)致光伏板出現(xiàn)嚴重故障，所以光伏板的運維檢測工作就不可或缺了.由于光伏缺陷在光伏板正常工作狀態(tài)下不可避免地會對光伏板的輸出功率造成影響，同時光伏面板上的缺陷也會對光伏面板上的熱流場造成影響，基于這兩個方面，常用的光伏故障檢測方法可以分為兩大類：一類是基于電氣（I-V）特征的故障檢測方法，而另一類則是基于圖像（紅外熱像圖或可視圖）特征的故障檢測方法.基于I-V特征的故障檢測方法是利用收集到的光伏板電流、電壓和輸出功率信息，運用數(shù)學分析、機器學習等方法與正常光伏板的電氣參數(shù)對比，最后得出故障檢測結(jié)果、.而基于圖像特征的檢測方法則是運用圖像采集設(shè)備對光伏面板進行成像，得到光伏板的狀態(tài)信息，再利用圖像處理算法進行檢測分析并得出檢測結(jié)果.在基于圖像特征的方法中，紅外成像技術(shù)是常用的方法.

關(guān)鍵詞：光伏板;紅外成像技術(shù);缺陷檢測;

引言

超聲波、射線、線流、磁板和滲透等常用無損儀器已經(jīng)在相關(guān)行業(yè)進行了測試。但是，這些工具廣泛用于檢測已經(jīng)出現(xiàn)的宏錯誤。紅外測試（IRT）技術(shù)是一種新的儀器，用于通過提取檢測到的物體的紅外特性參數(shù)和應(yīng)力疲勞來實時檢測設(shè)備故障。通過識別此類“危險”源，您可以確定部件和設(shè)施的可用性，從而評估關(guān)鍵部件的可持續(xù)性和安全性評估。紅外探測比傳統(tǒng)無損檢測方法更具優(yōu)勢：無需壓力測量;（高達0.1平方米）大測量范圍;①測量距離（20厘米20米）;圖片直觀快速。IRT技術(shù)目前應(yīng)用于航空航天、電力、建筑和許多其他工業(yè)領(lǐng)域。筆者闡述了紅外發(fā)光技術(shù)的工作原理，指出了國內(nèi)外紅外物質(zhì)檢測的發(fā)展和進展，確定了研究領(lǐng)域和存在的問題，最后闡述了基于紅外教育技術(shù)的儀器儀表和測量標準，并指出了該技術(shù)的未來趨勢及其應(yīng)用前景。

1光伏組件的故障類型

1.1光學退化

光學退化是指光學材料和封裝劑的老化、功能衰退現(xiàn)象，而光學材料和封裝劑對光伏發(fā)電組件長期有效運行至關(guān)重要.引起光學退化的原因主要由兩方面構(gòu)成：一是外部因素，主要是動態(tài)環(huán)境溫度的變化、環(huán)境濕度及紫外線的輻射等;二是內(nèi)部因素，主要是低質(zhì)量材料（包括封裝劑質(zhì)量、層壓板質(zhì)量）或生產(chǎn)過程不嚴謹?shù)?因此，為了減少光學退化發(fā)生率，解決措施應(yīng)該落實到發(fā)展新材料上，以便獲得更好的材料特性（介電強度、水汽透過率和熱導(dǎo)率），并對光伏組件生產(chǎn)技術(shù)進行革新.由光學材料和封裝劑老化引發(fā)的故障包括：安全玻璃和層壓板之間或不同層壓之間的粘附性受到干擾（即分層）;層壓顏色發(fā)生變化;層壓下出現(xiàn)空氣夾雜物;安全玻璃受到污染或開裂等.這些故障在紅外圖像上一般都是以溫度較高的塊狀區(qū)域形式呈現(xiàn)，而塊狀區(qū)域內(nèi)溫度高于其他部位則是因為該區(qū)域內(nèi)由光學材料老化引起各種光學故障，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低.一般這種高溫塊狀區(qū)域較之其他部位的溫度上升范圍在1～5K左右.根據(jù)研究表示，這種光學退化故障引起的光伏板能量損失每年還不到0.5%，而通常情況下，CSi光伏組件的能量損失為每年0.8%左右.

1.2其他故障

像勢能誘導(dǎo)故障、旁路二極管故障等這些并不能以任何單一的檢測方法（I-V特性參數(shù)曲線以及熱響應(yīng)模式）檢測出來的故障被稱為其他故障.勢能誘導(dǎo)故障（PID），即光伏組件長期在高壓下運行，因高負偏壓施加在光伏組件上而使其性能發(fā)生變化的現(xiàn)象.這種故障將會引起安全玻璃與封裝材料之間發(fā)生電流泄漏、光伏電池片鈍化等現(xiàn)象，但光伏組件在外觀上完好無損.形成PID效應(yīng)的影響因素較多，主要分為內(nèi)因、外因兩種因素：內(nèi)在因素主要表現(xiàn)在系統(tǒng)和電池組件，即電池組件中所包含的電池片和玻璃的質(zhì)量影響等;外在因素主要體現(xiàn)在環(huán)境氣候方面，即組件表面潮濕、高溫影響.

2缺陷檢測

部件故障紅外搜索目前主要采用主動方法，通過受控激勵獲得熱圖像。它們不同于阻礙熱通量均勻分布并在“高”和“低”元件表面形成溫度的熱電阻和溫度分布。熱紅外檢測與材料特性無關(guān)，目前主要側(cè)重于復(fù)合材料檢測，從而更頻繁地消除裂紋、膠水、沖擊損傷等故障。對熱圖像檢測的比較研究發(fā)現(xiàn)，熱圖像的噪聲主要是結(jié)構(gòu)性不平等造成的。對于較淺的誤差位置，熱脈沖檢測中的圖像誤差最大。但是，隨著誤差深度的增加，這三種方法的差異逐漸縮小。對碳纖維機場損傷復(fù)興機制的研究發(fā)現(xiàn)，當拉伸0° 3時，可能會出現(xiàn)損傷：基本體損壞、纖維和粘合劑破裂，而當拉伸90°時，基本體沒有損傷模式。對于高級復(fù)合材料，紅外掃描內(nèi)部裂縫、外部應(yīng)力、粘合劑、層狀等比其他檢測方法更高效、更安全，非常適合在線監(jiān)測。波浪解釋圖像序列和離散傅里葉變換（DFT）處理，利用幅值和相位分析研究裂紋的增長。低壓下厚度方向的熱分布系數(shù)小于正常大氣壓力下的熱衍生系數(shù)，平面方向的熱衍生系數(shù)取決于解釋頻率。采用CT（x射線計算機斷層掃描）技術(shù)，驗證了相對總誤差小于10%的紅外技術(shù)測量碳纖維缺陷幾何的準確性。

3紅外成像現(xiàn)場檢測的要求

（1）對檢測人員的要求。①檢測人員應(yīng)熟悉紅外成像技術(shù)基本原理，了解紅外成像儀工作原理、技術(shù)參數(shù)和性能，掌握操作程序和使用方法。②了解被檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、運行狀況和導(dǎo)致熱故障的基本原理。③熟悉帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范內(nèi)容。④具有一定的現(xiàn)場工作經(jīng)驗，熟悉并能嚴格遵守安全工作規(guī)程。（2）安全要求。嚴格執(zhí)行配電相關(guān)安全規(guī)程中關(guān)于巡視、帶電作業(yè)、高壓試驗等工作要求，操作人員精神狀態(tài)好，監(jiān)護人員嚴格履職，不得擅離崗位或兼做其他工作。（3）一般檢測要求。①被測設(shè)備是帶電運行設(shè)備，應(yīng)盡量避開測試設(shè)備正面的遮擋物。②環(huán)境溫度不低于5℃，相對濕度不大于85%;天氣以陰天、多云為宜，夜間檢測最好。檢測時風速不宜大于5m/s，不能在雷、雨、霧、雪、沙塵等條件下進行。③晴天戶外檢測應(yīng)避開陽光直射進入鏡頭，室內(nèi)或夜間檢測應(yīng)避開直射燈光，夜間檢測宜在日落2h后閉燈檢測。④設(shè)備正常運行時間不小于6h，最好達到24h以上，宜在最大電流下開展檢測。⑤注意避開附近熱輻射源、強電場和強磁場對紅外成像儀正常工作的干擾。

結(jié)束語

根據(jù)近年來的光伏紅外成像缺陷檢測技術(shù)的研究成果，在無人智能化產(chǎn)品蓬勃發(fā)展、圖像處理算法遍地開花等趨勢的推動下，人們希望光伏板紅外成像技術(shù)能更全面的反應(yīng)光伏板狀態(tài)信息的同時，還能夠檢測出更加具體的光伏缺陷類型.這同樣代表著光伏紅外成像缺陷檢測技術(shù)未來龐大的應(yīng)用前景與強大的診斷與檢測功能。

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