基于热像仪的太阳能电池故障诊断

赵 雪，杨 晨，夏晨蹊，丁 召

(贵州大学 大数据信息工程学院, 贵州 贵阳 550025)

太阳能电池是一种绿色新能源器件，在工业生产应用越来越广泛[1]，但在使用过程中各种故障都降低其工作的效率，比如目前比较常见的故障为太阳能电池的破碎、表面焊带的断裂和内部缺陷等[2]。因此，有必要对工作的太阳能电池进行故障诊断和电学分析。

在光伏系统中太阳能电池数目多，采用直接对其进行测量适用于工业生产级。例如，当前工业生产界对于太阳能电池故障诊断的方法是目视检测及伏安特性曲线，这种检测方法能够很好地诊断出生产中导致的故障，但不适用于户外工作的电池检测。研究者为了诊断在实际工作中的故障，理论分析与实验验证表明，处于不同工作状态下的太阳能电池的表面温度明显的不同[3]。红外热成像系统提供了一种可以区分物体不同温度分布的方法，这种方法可以用于太阳能电池的故障检测。王培珍等利用对太阳能电池阵列进行故障检测[4]。程泽等[5]根据故障状态下太阳能电池阵列的电流和电压的变化对其进行诊断，但是检测方法受到环境限制。鲁伟明等[6]用热像技术对太阳能电池的无损检测。本文结合已有红外热成像检测技术对太阳能电池在工作一段时间后的故障进行诊断并结合故障太阳能电池电流和电压的改变。诊断的方法是分析正常和故障的太阳能电池板的热像仪图像差异，通过热像仪图像判断是否出现故障及故障类型。测试其电流和电压曲线，分析了故障对太阳能电池的影响。

1 太阳能电池工作原理和等效电路

1.1 工作原理

太阳能电池板主要是指将太阳能转换为直流电压的元器件。太阳能电池板的发电原理被称为光伏效应[7]。在光照条件下，半导体PN结内建电场将光照产生的电子、空穴扫到内建电场的两侧，在内建电压的基础上叠加一个光生电动势的现象。通过这种现象将光子转化为电子，将太阳能转化为电能。目前太阳能电池板主要分为单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板、非晶硅太阳能电池[8]。单晶硅、多晶硅太阳能电池板的内部结构主要包括PN结、电池板表面的正极和负极、反射层、表面钝化层等[9]。本文研究的太阳电池板也主要是单晶硅太阳能电池板。

1.2 等效电路图

太阳能电池板的等效电路是研究太阳能电池板的工作特性和性能的基础[10]。太阳能电池板在工作时的等效电路如图1所示[11]。太阳能电池板等效电路中各种参数会直接影响太阳能电池板I-V特殊性和太阳能电池工作时的表面的温度产生影响。有缺陷的太阳能电池板在工作时等效电路中的电子元件的参数会发生明显的变化。电子元件的参数的变化会直接导致太阳能电池板的I-V特性曲线发生变化和太阳能电池板的表面的温度发生变化。

图1 太阳能电池的等效电路Fig.1 The equivalent circuit of a solar cell

其中RS太阳能电池板的串联电阻，ID二极管电流，ISH为分流电流，RSH并联电阻[12]。

根据太阳能电池的等效电路可以得到输出电流:

I=IL-ID-ISH

(1)

根据太阳能电池的等效电路可以得到输出电压为：

V=Vj-IRS或者Vj=V+IRS

(2)

其中Vj为二极管和并联电阻两端的电压，由肖特基二极管方程和欧姆定律可得：

(3)

(4)

其中：I0为二极管的反向饱和电流；

n为二极管的理想因素；

q为电子电荷；

k为波尔兹曼常数；

T为绝对温度。

将公式(3)、(4)带入到公式(1)得：

(5)

公式(5)表示了输出电流I和输出电压V之间的关系。在太阳能电池中RSH为分电流主要的影响因素。根据以上公式可得分电流：

(6)

不同的RSH对应不同的电流和电压特性曲线，如图2所示。

图2 不同并联电阻的I-V特性曲线Fig. 2 I-V characteristic curves of different shunt resistors

2 太阳能电池的分电流和红外热成像技术

2.1 分电流

太阳能电池板的并联电阻改变对其输出特性、转换效率和输出功率都有直接的影响。在理想的情况下和没有任何材料缺陷的太阳能电池板通常认为太阳能电池板的并联电阻是接近于无穷大的，此时的太阳能电池板的分流电流接近于零[13]。太阳能电池板在实际生产过程中，由于生产技术的限制使得太阳能电池板内部的原子排列发生位错，这样会导致太阳能电池板的并联电阻减小，其分流电流增加[14]。太阳能电池板在生产过程中工艺的问题会使太阳能电池板的并联电阻减小分流电流增加。太阳能电池板在使用过程中外界环境的影响会使其内部存在缺陷。缺陷的存在也会使太阳能电池板的并联电阻减小和串联电阻增加从而产生分流电流。如果太阳能电池板的内部存在分流电流，那么存在分流电流的区域相比于其他区域温度较高。

2.2 红外热成像技术

红外热成像通过运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并通过进一步计算得出不同位置的温度分布情况。太阳能电池板在接受到太阳光照时，将接受到的光能转换电能的同时会向周围的环境辐射热能，通过热像仪可以观察太阳能电池板在工作的时候其表面温度分布[15]。

热像仪能够清晰地显示太阳能电池板中各个部分温度的情况。如果电池表面出现比较高或者比较低的温度能够通过热像仪显示出来。太阳能电池板的热区在热像仪图像中会显示为高温区域，焊带断裂在热像仪中能够比较清晰看出焊带的断开。

3 实验结果分析

3.1 正常太阳能电池板

太阳能电池板放置于测试平台上，没有对其进行LED灯照射，其热像仪图像如图3所示。通过测试结果可以看出太阳能电池表面的颜色和其周围的颜色一致，这表明电池在开始工作时候的温度分布很均匀并且和周围环境温度一致。太阳能电池板在光功率为1000W/m2的LED照射一段时间后的热像仪图像如图4所示。测试的热像仪图像表明正常太阳能电池板在工作后一段时间后其表面趋于稳定且各个部分无明显差异，如图4中的标注2，中间有黄色的条形状区域为焊带，如图4中的标注1。通过测试的热像仪图像表明正常太阳能电池板在工作后一段时间后其表面的温度分布比较均匀，但是焊带区域与其他差异存在差异，这是由于焊带材料与太阳能电池板的材料不同导致。

图3 无照射的热像仪图像Fig. 3 Unirradiated thermal imager image

图4 稳定工作后的热像仪图像Fig. 4 Thermal imager image after stable operation

正常太阳能电池板工作时，通过源表测得其电流和工作电压数据，并使用软件将测试的数据拟合处理得到如图5所示的图像。由图5可以看出太阳能电池板的短路电流为0.6A，开路电压为0.6V，其电流-电压特性曲线与理想太阳能电池板类似。

图5 太阳能电池板的I-V测试图像Fig. 5 I-V test image of the solar panel

3.2 存在热区太阳能电池板

太阳能电池板在光功率为1000W/m2的LED照射下太阳能电池板表面的温度逐渐上升，在过一段时间后太阳能电池板的表面的温度达到稳定，其表面的热像仪图像如图6所示。从图6中可以看出太阳能电池板表面的最高温度为50.6度，另外其表面温度趋于稳定。在太阳能电池板热像仪图片中出现了白色区域如图6标注区域，该区域的温度为50.6度，该区域的温度明显高于其他区域，表示该区为太阳能电池板的热区。热区的存在表明太阳能电池在该区域存在缺陷。

存在热区的太阳能电池的电流-电压特性曲线如图7所示。由图7可以看出该太阳能电池板的短路电流为0.4A，开路减小。将存在热区的太阳能电池板与正常电池的电流电压特性进行比较，存在热区的太阳能电池板的输出电流了减小0.2A，表明太阳能电池板的热区会直接影响其工作时的输出。

图6 存在热区的热像仪图像Fig.6 Thermal imager image with hot zone

图7 存在热区的I-V特性曲线Fig.7 I-V characteristic curve with hot spots

3.3 破碎的太阳能电池板

破碎的太阳能电池板在光功率为1000W/m2的LED照射一段时间后其表面温度达到稳定状态，太阳能电池板的表面的热像仪图像如图8所示。由图8可以看出太阳能电池板表面的最高温度为50.7度，其表面上出现了蓝色区域，如图8标注1，通过温度显示表明该区域的温度比其他区域的温度要低，该区域的温度与放置太阳能电池板的底盘的温度很接近。太阳能电池表面出现的,低温区域表明其表面出现了破碎。另外在太阳能电池热像仪图像可以看出很明显的颜色划分，如图8中标注2区域。在无裂痕的正常工作的太阳能电池热像仪图像中，太阳能电池表面各个区域温度相等，不会出现低温区域与高温区域互相分离的现象。

破碎的太阳能电池板的电流-电压特性曲线如图9所示。由图9可以看出太阳能电池板的短路电流为0.25A，开路电压为0.55V。将图9与图5进行比较，破碎的太阳能电池板的输出电流比正常的太阳能电池板减小了50%。

图8 破碎的热像仪图像Fig.8 Broken thermal imager image

图9 破碎的I-V特性曲线Fig. 9 Broken I-V characteristic curve

3.4 焊带断裂的太阳能电池板

焊带断裂的太阳能电池板在光功率1000W/m2的LED照射一段时间后其热像仪图像如图10所示。太阳能电池在照射一段时间后，其表面的最高温度为49.8度。如图10中所示，太阳能电池板表面的温度趋于稳定。从图中可以看出太阳能电池板表面焊带的热像仪图像发生了明显断开，如图10标注所示，表示了其表面的焊带发生了断裂。

图10 焊带断裂的热像仪图像Fig.10 Thermal imager image of weld belt fracture

该太阳能电池板的电流-电压特性曲线如图11所示。由图11可以看出短路电流为0.2A，开路电压为0.52V。将该太阳能电池板的电流-电压曲线与正常的太阳能电池板的电流-电压输出特性比较，发现焊带断裂的太阳能电池板输出电流减小了58%。

图11 焊带断裂的I-V特性曲线Fig.11 I-V characteristic curve of welding belt fracture

实验选取了四类太阳能电池板进行实验，分别为正常电池、存在热斑的电池、破碎的电池和焊带断裂的电池。最后实验的结果表明：正常电池工作时,表面的温度分布均匀，并且其输出的电流符合标准的电流电压特性曲线。故障电池的热像仪图像出现明亮区域、蓝色区域、颜色分区和断层，另外故障电池的输出电流出现不同程度的减小。根据输出电流的减小验证热像仪技术用于诊断电池故障的可行性。

4 结语

热像仪技术可以用于诊断太阳能电池的故障。正常电池的表面的温度分布均匀，热像仪图像中焊带热像仪图像颜色为黄色条状。电池热像仪图像有明亮区域表示该电池存在热斑。电池的热像仪图像存在蓝色区域和颜色分区表示该电池为破碎电池。电池的热像仪图像的黄色条状区域出现断层表示电池的焊带发生断裂。如果太阳能电池的热像仪图像出现这些现象，表明电池出现故障。太阳能电池的故障直接导致其输出的电流减小。本文中热斑导致电池的输出电流减小33%，破碎导致电池的输出电流减小50%，焊带的断裂导致电池的输出电流减小58%。