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(yán)重，人們對(duì)清潔能源的發(fā)展需求越來(lái)越大.能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已成為全球共識(shí)，大力發(fā)展清潔能源對(duì)推進(jìn)生態(tài)文明進(jìn)程有重大意義.太陽(yáng)能作為公認(rèn)的清潔能源之一，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，2017年累計(jì)光伏裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到400GW.與此同時(shí)，中國(guó)新增光伏裝機(jī)量連續(xù)五年全球第一，截至2018年4月，中國(guó)并網(wǎng)光伏裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)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(yáng)能光伏板從制造、運(yùn)輸、再到安裝，以及后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間在野外惡劣環(huán)境及氣候條件下運(yùn)行的過(guò)程中，不可避免地會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的原因（機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致光伏板出現(xiàn)嚴(yán)重故障，所以光伏板的運(yùn)維檢測(cè)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(huì)對(duì)光伏板的輸出功率造成影響，同時(shí)光伏面板上的缺陷也會(huì)對(duì)光伏面板上的熱流場(chǎng)造成影響，基于這兩個(gè)方面，常用的光伏故障檢測(cè)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(cè)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(cè)方法.基于I-V特征的故障檢測(cè)方法是利用收集到的光伏板電流、電壓和輸出功率信息，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法與正常光伏板的電氣參數(shù)對(duì)比，最后得出故障檢測(cè)結(jié)果、.而基于圖像特征的檢測(cè)方法則是運(yùn)用圖像采集設(shè)備對(duì)光伏面板進(jìn)行成像，得到光伏板的狀態(tài)信息，再利用圖像處理算法進(jìn)行檢測(cè)分析并得出檢測(cè)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(cè);

引言

超聲波、射線、線流、磁板和滲透等常用無(wú)損儀器已經(jīng)在相關(guān)行業(yè)進(jìn)行了測(cè)試。但是，這些工具廣泛用于檢測(cè)已經(jīng)出現(xiàn)的宏錯(cuò)誤。紅外測(cè)試（IRT）技術(shù)是一種新的儀器，用于通過(guò)提取檢測(cè)到的物體的紅外特性參數(shù)和應(yīng)力疲勞來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備故障。通過(guò)識(shí)別此類“危險(xiǎn)”源，您可以確定部件和設(shè)施的可用性，從而評(píng)估關(guān)鍵部件的可持續(xù)性和安全性評(píng)估。紅外探測(cè)比傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)：無(wú)需壓力測(cè)量;（高達(dá)0.1平方米）大測(cè)量范圍;①測(cè)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(guó)內(nèi)外紅外物質(zhì)檢測(cè)的發(fā)展和進(jìn)展，確定了研究領(lǐng)域和存在的問(wèn)題，最后闡述了基于紅外教育技術(shù)的儀器儀表和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并指出了該技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)及其應(yīng)用前景。

1光伏組件的故障類型

1.1光學(xué)退化

光學(xué)退化是指光學(xué)材料和封裝劑的老化、功能衰退現(xiàn)象，而光學(xué)材料和封裝劑對(duì)光伏發(fā)電組件長(zhǎng)期有效運(yùn)行至關(guān)重要.引起光學(xué)退化的原因主要由兩方面構(gòu)成：一是外部因素，主要是動(dòng)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(guò)程不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?因此，為了減少光學(xué)退化發(fā)生率，解決措施應(yīng)該落實(shí)到發(fā)展新材料上，以便獲得更好的材料特性（介電強(qiáng)度、水汽透過(guò)率和熱導(dǎo)率），并對(duì)光伏組件生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行革新.由光學(xué)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(kāi)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?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)由光學(xué)材料老化引起各種光學(xué)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(xué)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(shì)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(cè)方法（I-V特性參數(shù)曲線以及熱響應(yīng)模式）檢測(cè)出來(lái)的故障被稱為其他故障.勢(shì)能誘導(dǎo)故障（PID），即光伏組件長(zhǎng)期在高壓下運(yùn)行，因高負(fù)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(huì)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(wú)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(cè)

部件故障紅外搜索目前主要采用主動(dòng)方法，通過(guò)受控激勵(lì)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(cè)與材料特性無(wú)關(guān)，目前主要側(cè)重于復(fù)合材料檢測(cè)，從而更頻繁地消除裂紋、膠水、沖擊損傷等故障。對(duì)熱圖像檢測(cè)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(duì)于較淺的誤差位置，熱脈沖檢測(cè)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(duì)碳纖維機(jī)場(chǎng)損傷復(fù)興機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸0° 3時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)損傷：基本體損壞、纖維和粘合劑破裂，而當(dāng)拉伸90°時(shí)，基本體沒(méi)有損傷模式。對(duì)于高級(jí)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(cè)方法更高效、更安全，非常適合在線監(jiān)測(cè)。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(zhǎng)。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(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)，驗(yàn)證了相對(duì)總誤差小于10%的紅外技術(shù)測(cè)量碳纖維缺陷幾何的準(zhǔn)確性。

3紅外成像現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求

（1）對(duì)檢測(cè)人員的要求。①檢測(cè)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(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、運(yùn)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(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，熟悉并能嚴(yán)格遵守安全工作規(guī)程。（2）安全要求。嚴(yán)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(yàn)等工作要求，操作人員精神狀態(tài)好，監(jiān)護(hù)人員嚴(yán)格履職，不得擅離崗位或兼做其他工作。（3）一般檢測(cè)要求。①被測(cè)設(shè)備是帶電運(yùn)行設(shè)備，應(yīng)盡量避開(kāi)測(cè)試設(shè)備正面的遮擋物。②環(huán)境溫度不低于5℃，相對(duì)濕度不大于85%;天氣以陰天、多云為宜，夜間檢測(cè)最好。檢測(cè)時(shí)風(fēng)速不宜大于5m/s，不能在雷、雨、霧、雪、沙塵等條件下進(jìn)行。③晴天戶外檢測(cè)應(yīng)避開(kāi)陽(yáng)光直射進(jìn)入鏡頭，室內(nèi)或夜間檢測(cè)應(yīng)避開(kāi)直射燈光，夜間檢測(cè)宜在日落2h后閉燈檢測(cè)。④設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間不小于6h，最好達(dá)到24h以上，宜在最大電流下開(kāi)展檢測(cè)。⑤注意避開(kāi)附近熱輻射源、強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)紅外成像儀正常工作的干擾。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)近年來(lái)的光伏紅外成像缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究成果，在無(wú)人智能化產(chǎn)品蓬勃發(fā)展、圖像處理算法遍地開(kāi)花等趨勢(shì)的推動(dòng)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(shí)，還能夠檢測(cè)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(cè)技術(shù)未來(lái)龐大的應(yīng)用前景與強(qiáng)大的診斷與檢測(cè)功能。

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