光伏板红外成像缺陷检测技术研究进展

谢海军 倪慧叶 张骑虎 石焕江 朱怡良

摘要：随着全球能源消耗加剧，环境污染严重，人们对清洁能源的发展需求越来越大.能源结构转型已成为全球共识，大力发展清洁能源对推进生态文明进程有重大意义.太阳能作为公认的清洁能源之一，近年来得到了快速发展，2017年累计光伏装机规模已达到400GW.与此同时，中国新增光伏装机量连续五年全球第一，截至2018年4月，中国并网光伏装机容量已经超过1.4亿kW，体现了光伏发电蓬勃发展的大好前景.太阳能光伏板从制造、运输、再到安装，以及后续长时间在野外恶劣环境及气候条件下运行的过程中，不可避免地会因为各种各样的原因（机械应力、光伏材料功能退化以及环境因素等）导致光伏板出现缺陷，进而导致光伏板出现严重故障，所以光伏板的运维检测工作就不可或缺了.由于光伏缺陷在光伏板正常工作状态下不可避免地会对光伏板的输出功率造成影响，同时光伏面板上的缺陷也会对光伏面板上的热流场造成影响，基于这两个方面，常用的光伏故障检测方法可以分为两大类：一类是基于电气（I-V）特征的故障检测方法，而另一类则是基于图像（红外热像图或可视图）特征的故障检测方法.基于I-V特征的故障检测方法是利用收集到的光伏板电流、电压和输出功率信息，运用数学分析、机器学习等方法与正常光伏板的电气参数对比，最后得出故障检测结果、.而基于图像特征的检测方法则是运用图像采集设备对光伏面板进行成像，得到光伏板的状态信息，再利用图像处理算法进行检测分析并得出检测结果.在基于图像特征的方法中，红外成像技术是常用的方法.

关键词：光伏板;红外成像技术;缺陷检测;

引言

超声波、射线、线流、磁板和渗透等常用无损仪器已经在相关行业进行了测试。但是，这些工具广泛用于检测已经出现的宏错误。红外测试（IRT）技术是一种新的仪器，用于通过提取检测到的物体的红外特性参数和应力疲劳来实时检测设备故障。通过识别此类“危险”源，您可以确定部件和设施的可用性，从而评估关键部件的可持续性和安全性评估。红外探测比传统无损检测方法更具优势：无需压力测量;（高达0.1平方米）大测量范围;①测量距离（20厘米20米）;图片直观快速。IRT技术目前应用于航空航天、电力、建筑和许多其他工业领域。笔者阐述了红外发光技术的工作原理，指出了国内外红外物质检测的发展和进展，确定了研究领域和存在的问题，最后阐述了基于红外教育技术的仪器仪表和测量标准，并指出了该技术的未来趋势及其应用前景。

1光伏组件的故障类型

1.1光学退化

光学退化是指光学材料和封装剂的老化、功能衰退现象，而光学材料和封装剂对光伏发电组件长期有效运行至关重要.引起光学退化的原因主要由两方面构成：一是外部因素，主要是动态环境温度的变化、环境湿度及紫外线的辐射等;二是内部因素，主要是低质量材料（包括封装剂质量、层压板质量）或生产过程不严谨等.因此，为了减少光学退化发生率，解决措施应该落实到发展新材料上，以便获得更好的材料特性（介电强度、水汽透过率和热导率），并对光伏组件生产技术进行革新.由光学材料和封装剂老化引发的故障包括：安全玻璃和层压板之间或不同层压之间的粘附性受到干扰（即分层）;层压颜色发生变化;层压下出现空气夹杂物;安全玻璃受到污染或开裂等.这些故障在红外图像上一般都是以温度较高的块状区域形式呈现，而块状区域内温度高于其他部位则是因为该区域内由光学材料老化引起各种光学故障，导致导热系数降低.一般这种高温块状区域较之其他部位的温度上升范围在1～5K左右.根据研究表示，这种光学退化故障引起的光伏板能量损失每年还不到0.5%，而通常情况下，CSi光伏组件的能量损失为每年0.8%左右.

1.2其他故障

像势能诱导故障、旁路二极管故障等这些并不能以任何单一的检测方法（I-V特性参数曲线以及热响应模式）检测出来的故障被称为其他故障.势能诱导故障（PID），即光伏组件长期在高压下运行，因高负偏压施加在光伏组件上而使其性能发生变化的现象.这种故障将会引起安全玻璃与封装材料之间发生电流泄漏、光伏电池片钝化等现象，但光伏组件在外观上完好无损.形成PID效应的影响因素较多，主要分为内因、外因两种因素：内在因素主要表现在系统和电池组件，即电池组件中所包含的电池片和玻璃的质量影响等;外在因素主要体现在环境气候方面，即组件表面潮湿、高温影响.

2缺陷检测

部件故障红外搜索目前主要采用主动方法，通过受控激励获得热图像。它们不同于阻碍热通量均匀分布并在“高”和“低”元件表面形成温度的热电阻和温度分布。热红外检测与材料特性无关，目前主要侧重于复合材料检测，从而更频繁地消除裂纹、胶水、冲击损伤等故障。对热图像检测的比较研究发现，热图像的噪声主要是结构性不平等造成的。对于较浅的误差位置，热脉冲检测中的图像误差最大。但是，随着误差深度的增加，这三种方法的差异逐渐缩小。对碳纤维机场损伤复兴机制的研究发现，当拉伸0° 3时，可能会出现损伤：基本体损坏、纤维和粘合剂破裂，而当拉伸90°时，基本体没有损伤模式。对于高级复合材料，红外扫描内部裂缝、外部应力、粘合剂、层状等比其他检测方法更高效、更安全，非常适合在线监测。波浪解释图像序列和离散傅里叶变换（DFT）处理，利用幅值和相位分析研究裂纹的增长。低压下厚度方向的热分布系数小于正常大气压力下的热衍生系数，平面方向的热衍生系数取决于解释频率。采用CT（x射线计算机断层扫描）技术，验证了相对总误差小于10%的红外技术测量碳纤维缺陷几何的准确性。

3红外成像现场检测的要求

（1）对检测人员的要求。①检测人员应熟悉红外成像技术基本原理，了解红外成像仪工作原理、技术参数和性能，掌握操作程序和使用方法。②了解被检测设备的结构特点、工作原理、运行状况和导致热故障的基本原理。③熟悉带电设备红外诊断应用规范内容。④具有一定的现场工作经验，熟悉并能严格遵守安全工作规程。（2）安全要求。严格执行配电相关安全规程中关于巡视、带电作业、高压试验等工作要求，操作人员精神状态好，监护人员严格履职，不得擅离岗位或兼做其他工作。（3）一般检测要求。①被测设备是带电运行设备，应尽量避开测试设备正面的遮挡物。②环境温度不低于5℃，相对湿度不大于85%;天气以阴天、多云为宜，夜间检测最好。检测时风速不宜大于5m/s，不能在雷、雨、雾、雪、沙尘等条件下进行。③晴天户外检测应避开阳光直射进入镜头，室内或夜间检测应避开直射灯光，夜间检测宜在日落2h后闭灯检测。④设备正常运行时间不小于6h，最好达到24h以上，宜在最大电流下开展检测。⑤注意避开附近热辐射源、强电场和强磁场对红外成像仪正常工作的干扰。

結束语

根据近年来的光伏红外成像缺陷检测技术的研究成果，在无人智能化产品蓬勃发展、图像处理算法遍地开花等趋势的推动下，人们希望光伏板红外成像技术能更全面的反应光伏板状态信息的同时，还能够检测出更加具体的光伏缺陷类型.这同样代表着光伏红外成像缺陷检测技术未来庞大的应用前景与强大的诊断与检测功能。

参考文献

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