北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司 ■ 王哲楊靜 王勝利 付勛波 許蘭剛

軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測探討

北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司 ■ 王哲*楊靜 王勝利 付勛波 許蘭剛

探討一種軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測裝置，該裝置由移動(dòng)平臺(tái)控制器紅外成像儀、視頻攝像機(jī)、無線數(shù)傳模塊、位置感應(yīng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)組成。利用光伏組件支架安裝鋼纜式軌道，該鋼纜同時(shí)兼顧軌道式光伏方陣紅外和視頻在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)供電電源，并通過滾動(dòng)輪與DC/DC穩(wěn)壓電源模塊摩擦連接為系統(tǒng)供電。采用軌道鋼纜上的位置傳感器精確定位，將紅外成像及視頻信息無線傳送到電站監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)軌道式光伏方陣紅外和視頻在線監(jiān)測，達(dá)到故障快速發(fā)現(xiàn)及排除的目的。

光伏陣列；軌道；紅外；視頻；定位

0　引言

目前光伏電站建設(shè)飛速發(fā)展，其規(guī)模越來越大，而光伏電站發(fā)生故障的幾率也在同步增加，包括電纜接觸不良、局部放電、組件熱斑、匯流箱連接件發(fā)熱等隱形故障，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位，并且故障持續(xù)時(shí)間越長，光伏發(fā)電損失越大，同時(shí)面臨火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)，若不及時(shí)處理將導(dǎo)致不堪設(shè)想的后果。目前國內(nèi)外很多電站都有電站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，但由于監(jiān)控點(diǎn)分布數(shù)量及測試精度的限制，很難對(duì)光伏方陣系統(tǒng)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化檢測及定位(光伏方陣系統(tǒng)包含除儲(chǔ)能、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和負(fù)載之外的所有部分)，只能依據(jù)后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析對(duì)設(shè)備故障告警，或利用手持式紅外成像儀不定時(shí)地檢測發(fā)現(xiàn)問題。然而大型電站勞動(dòng)強(qiáng)度大，采用人工檢查不能做到每天相對(duì)實(shí)時(shí)的精細(xì)化巡檢。目前有人提出利用無人機(jī)監(jiān)測光伏組件故障，但實(shí)際操作上還存在著一定問題。

本文提出一種軌道式紅外成像、視頻監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)(如圖1所示)，利用大型電站組件安放結(jié)構(gòu)相同的特點(diǎn)，組件支架固定安裝鋼纜軌道，使紅外成像、視頻監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)在上移動(dòng)，不但對(duì)組件前后板、連接電纜進(jìn)行紅外成像、視頻自動(dòng)循環(huán)移動(dòng)監(jiān)測，而且對(duì)故障能夠快速定位，并通過無線傳輸圖像及數(shù)據(jù)，終端進(jìn)行分析故障告警及未來趨勢的預(yù)警評(píng)估。為提高分析精準(zhǔn)度，在終端采用同一組件的前面與背板的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證；對(duì)于電池片隱裂等可視故障，可通過遠(yuǎn)程視頻遙控進(jìn)一步分析；實(shí)現(xiàn)故障隱患早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理，避免電量損失及火災(zāi)發(fā)生。

圖1　軌道式紅外成像、視頻監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)

1　工作原理

光伏組件多發(fā)生背板粘附失效、接線盒破損、支架斷裂、EVA材料褪色、電池片破碎、玻璃板損壞、熱斑、旁路二極管故障、連接器內(nèi)微電弧、電氣連接電纜接觸不良等故障。故障特征分為局部過熱和可視圖像特征改變(顏色、結(jié)構(gòu)、外觀等)。局部過熱特征通過紅外成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏組件性能特征的二維分布及所捕捉到電氣紅外特征圖，并結(jié)合電器參數(shù)分析判斷；而可視圖像特征改變，利用視頻攝像、識(shí)別圖像軟件的對(duì)比分析技術(shù)、自學(xué)習(xí)方法將原始圖像典型特征記憶功能與實(shí)時(shí)視頻對(duì)比分析鑒別。

依據(jù)上述特征及光伏電站每排組串/陣列相互平行安裝的特點(diǎn)，在光伏組串/陣列的支架后面，通過絕緣材料固定安裝兩根平行鋼纜作為軌道鋼纜，將所有光伏組串/陣列的支架串接一起，在軌道上等間距安裝磁性感應(yīng)器。兩根軌道鋼纜一方面作為紅外成像在線監(jiān)測裝置的移動(dòng)軌道，另一方面兼作對(duì)紅外成像在線監(jiān)測裝置供電的導(dǎo)體，詳見圖2。

圖2　軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測模塊連接關(guān)系圖

紅外成像在線監(jiān)測裝置分別由移動(dòng)平臺(tái)、控制器、紅外成像儀、視頻攝像機(jī)、位置感應(yīng)模塊、無線數(shù)傳模塊、直流電機(jī)及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，置于密封防塵透明罩中，詳見圖3。

圖3　軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

監(jiān)控終端在有光照時(shí)，通過無線數(shù)傳模塊向移動(dòng)平臺(tái)控制器對(duì)電機(jī)控制模塊發(fā)送命令，控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)金屬滾輪使移動(dòng)平臺(tái)沿軌道鋼纜往復(fù)移動(dòng)，紅外成像儀監(jiān)測每塊光伏組件、電纜及匯流箱的發(fā)熱情況，一旦發(fā)現(xiàn)高熱點(diǎn)，該紅外成像在線監(jiān)測裝置將停止移動(dòng)，并通過位置感應(yīng)模塊和位置磁感應(yīng)器精確定位，定位精確到每塊光伏組件，電纜定位到兩傳感器位置之間。紅外成像儀聚焦高溫點(diǎn)，視頻攝像頭對(duì)該高溫點(diǎn)處進(jìn)行視頻監(jiān)測，同時(shí)定位；紅外成像及視頻圖像數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊上傳到監(jiān)控終端，監(jiān)控終端報(bào)警提示，現(xiàn)場技術(shù)人員或互聯(lián)網(wǎng)上終端專家通過紅外高溫點(diǎn)或視頻圖像進(jìn)行成因數(shù)據(jù)分析。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)利用光伏方陣之間架設(shè)的導(dǎo)軌移動(dòng)到光伏陣列終點(diǎn)時(shí)，如圖4所示，紅外成像儀、視頻攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)軸自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，對(duì)光伏組串/陣列的另一面進(jìn)行監(jiān)測。

圖4　陣列之間軌道連接關(guān)系示意圖

由于光伏組串/陣列的組件安裝分為正面(即接受陽光的一面)和反面(即背板)，電纜及接線盒都置于反面，而兩面都有可能發(fā)生故障，所以需要對(duì)光伏組串/陣列進(jìn)行正反兩面監(jiān)測。以上操作實(shí)現(xiàn)組串/陣列正反兩面監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于光伏組件、電纜、連接件、匯流箱等發(fā)熱特征故障，可避免故障蔓延及次生災(zāi)害發(fā)生，組光伏電站提供快速直觀監(jiān)測的手段。

系統(tǒng)供電電源由光伏電站內(nèi)電源提供，經(jīng)直流DC-48 V低壓供電，利用鋼纜做導(dǎo)體(詳見圖2)，并通過滾動(dòng)輪與軌道鋼纜摩擦為移動(dòng)平臺(tái)上的DC/DC電源模塊提供直流電源；再由DC/DC穩(wěn)壓電源模塊輸出穩(wěn)壓電源，為移動(dòng)平臺(tái)上的所有模塊供電。在供電系統(tǒng)中可實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道之間的絕緣參數(shù)，當(dāng)由于雨后等絕緣降低時(shí)該系統(tǒng)停止供電。冬季軌道結(jié)冰時(shí)，在軌道末端將兩條軌道短路，供電系統(tǒng)啟動(dòng)手動(dòng)融冰電源。

為保證每組光伏陣列之間的通道功能，在每組光伏陣列之間安裝光伏陣列活動(dòng)連接器，當(dāng)人或物體通過時(shí)上推連桿即可(見圖4)。

2　結(jié)論

軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)無人值守，利用軌道式的紅外成像、視頻監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)，定時(shí)或?qū)崟r(shí)對(duì)光伏組件前后板和連接電纜進(jìn)行紅外成像、視頻自動(dòng)循環(huán)移動(dòng)監(jiān)測，對(duì)故障快速定位，并通過無線傳輸圖像及數(shù)據(jù)，終端進(jìn)行分析故障告警。

未來光伏電站的全生命周期，將面對(duì)材料老化、設(shè)備性能下降、故障率增加、發(fā)電量降低等問題。然而隨著光伏組件制造工藝的變化，對(duì)光伏組件在電站生命周期中的故障和缺陷認(rèn)知也在改變，如何識(shí)別光伏方陣中的故障及缺陷缺乏判定依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，為保證光伏電站有效、可靠的工作，光伏電站的趨勢分析、預(yù)防性檢修顯得格外重要。如何利用軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監(jiān)測的大量歷史數(shù)據(jù)抽絲剝繭甄別、分析問題，并結(jié)合光伏電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，為光伏電站安全運(yùn)維、保障光伏電站高效發(fā)電提出新的挑戰(zhàn)。

2016-03-10

國家國際科技合作專項(xiàng)(2014DFG62130)

王哲(1957—)，男，高級(jí)工程師，主要從事光伏系統(tǒng)測控技術(shù)方面的研究。wangzhe@bjcorona.com