光伏电站热成像检测的解决方案
    


从2004年的0.063GW到2014年的26.84GW,10年400多倍的增长速率让全球见证了光伏发电的中国速度。截至2015年底,我国光伏发电累计装机容量4318万千瓦,成为全球光伏发电装机容量最大的国家。

然而,前景向好、难题不断。有强势吸引力的光伏电站建设企业,一面怀揣着坐拥高收益甚至完成平价上网终极使命的美好愿景,一面在动辄上百亿的投资资金面前备受折磨。这些问题的症结都指向同一个核心词汇——质量。


案例:

2015年6月26日,中山长虹项目一名施工人员在连接组件阵列时被直流电电死,据了解,是组串的端子没接汇流箱就放屋顶上了,广东这几天暴雨,端子进水,施工人员碰到后发生了不幸。

这是令人触目惊心的事故,而只是光伏事故的冰山一角,近年来,仅国内电站产生问题的例子就达116个,而且这个数字依然高企不下。



哪些因素导致安全问题?

那么,到底是哪些因素导致了“问题”的出现?我们的研究团队走访了大量的光伏电站,发现光伏电站主要面临的安全问题分为组件和逆变器两大部分。

第一,组件的安全问题主要来自接线盒和热斑效应。

不起眼的接线盒是引起很多组件自燃的“元凶”,接线盒市场较为混乱和无序。劣质连接器由于内部粗糙不平,接触点较少,使电阻过高引燃接线盒,进而烧毁组件背板引起组件碎裂。

在一定条件下,一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件,将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量,被遮蔽的太阳电池组件此时会发热,这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。

第二,逆变器和运维漏洞百出。

传统集中式方案,每个逆变器100多组串正负极并联在一起,当任意的组串正极和负极漏电,1000V的直流高压,触电将无可避免。

传统电站采用熔丝设计增加了直流节点,电站即使使用熔丝,也不能有效地保护组件;而且在过载电流情况下,熔丝还会因熔断慢,发热高,引发着火风险。

逆变器厂家很多、质量参差不齐,导致逆变器监测数据不准确,逆变器或者直流汇流箱数据采样精度不够,造成故障信息判断不准确、不及时,故障恢复时间长、损失大。

国家发改委能源研究所研究员王斯成说:“电站在运行一段时间后存在着大量问题,而电站质量直接影响到电站的收益,这是为什么目前银行对投资电站有顾虑的重要原因。然而目前电站开发商对这一问题却没有足够重视,这对行业来说是伤害。”


解决方案——红外热像仪

质量保证流程对于太阳能电池板极具重要。电池板的正常运行是高效发电、长期使用寿命和高投资回报率的必要条件。为了确保正常运行,在生产过程中和电池板安装后,都需要一种快速、简易又可靠的太阳能电池板性能检查方法。

FLIR工程师说,使用热像仪进行太阳能电池板检查有着若干优势。异常现象能够清楚地显示在清晰的热图像上,并且与其他大部分方法不同的是,热像仪能够用于对已经安装好的太阳能电池板在运行期间进行检查,最后,热像仪还可在短时间内检查大片区域。

在研发领域,热像仪已经是用于太阳能电池和电池板检查的成熟工具。对于这些复杂的测量,配备制冷式探测器的高性能热像仪通常用于受控实验室条件下。

但热像仪的太阳能电池板检查用途并不仅限于研究领域。非制冷式热像仪目前正越来越多地应用于太阳能电池板安装前的质量管理,以及安装后的常规预测性维护检查。

使用热像仪可以探测到潜在问题区域,并在问题或故障真正出现前予以修复。但并非每一种热像仪都适合太阳能电池检查,需要遵循一些规则和指导方针,以便实施有效检查,确保得出正确的结论。


热像仪检查太阳能电池板规程

在研制和生产阶段,太阳能电池是靠通电或使用闪光灯激活。这确保了充分的热对比度,用于精确热成像测量。但这种方法不能用于实地检查太阳能电池板,因此操作员必须确保有足够的太阳能。

为了在实地检查太阳能电池时获得充分的热对比度,需要500W/m2以上的太阳辐照度。要获得最大值结果,建议准备好700 W/m2太阳辐照度。太阳辐照度以kW/m2为单位,描述了一个表面的瞬间入射能量,该能量可用日射强度计(用于测量全球太阳辐照度)或太阳热量计(用于测量直接太阳辐照度)进行测量。太阳辐照度主要取决于位置和局部天气。较低的室外温度也可提高热对比度。


您需要哪一种类型的热像仪?

用于预测性维护检查的便携式热像仪通常搭载有灵敏度为8-14μm波段的非制冷微量热型探测器。但在这个波段内是无法穿透玻璃的。从电池板正面检查太阳能电池时,热像仪探测到的是玻璃表面的热量分布,但只能间接探测玻璃下方电池的热量分布。因此太阳能电池板玻璃表面的可测量和可视温差比较微弱。为了使这些温差可见,用于检查的热像仪需要具备≤0.08K的热灵敏度。为了清晰显现热图像中的微弱温差,热像仪还应能够手动调节电平和跨度。


自动模式(左图)和手动模式(右图)下带电平和跨度值的热图像

光伏组件一般安装在具有高度反射性的铝制框架上,这种框架在热图像上会显示为冷区,因为它能反射天空中散发的热辐射。在实践中,这意味着热像仪记录到的框架温度远低于0℃。由于热像仪的直方图均衡自动适配最大和最小测温值,许多细微的热异常不会立即显现。为了获得高对比度热图像,需要不断对电平和跨度进行手动调节。


未经DDE处理的热图像(左图)和经过DDE处理的热图像(右图)

所谓的DDE(数字细节增强)功能提供了解决方式。DDE能够自动优化高动态范围场景下的图像对比度,热图像不再需要进行手动调节。因此具备DDE功能的热像仪非常适用于快速精确的太阳能电池板检查。


实用功能

热像仪的另一个实用功能是为热图像添加GPS数据标记。这可以帮助在大片区域,如太阳能电厂中轻松定位有问题的模块,并将热图像与设备进行关联,例如在报告中。

热像仪应该配备内置数码相机镜头,以便将相关可见光图像(数码照片)与相应的热图像一起保存。所谓的叠加模式可将热图像与可见光图像相互叠加,也颇为实用。声音和文本注释可连同热图像一起保存在热像仪中,有利于报告编写。


热像仪放置:考虑热反射和辐射系数

虽然玻璃在8-14μm波段的辐射系数为0.85-0.90,但玻璃表面的测温并不容易。玻璃热反射如同镜面反射,这意味着不同温度的周边物体在热图像上能够清晰呈现。在最糟糕的情形中,这会导致成像失实(假“热点”)和测量误差。


热像检查中的建议视场角(绿色)和应避免的视场角(红色)

为了避免热像仪和操作员的玻璃热反射,热像仪不应垂直对准被检查的模块。但辐射系数在热像仪垂直时达到最大,热像检查中的建议视场角(绿色)和应避免的视场角(红色)。并随着热像仪角度的增加而减小。5°-60°的视场角是一个较好的平衡点(0°为垂直)。

为避免得出错误结论,检查太阳能电池板时,您需要以正确角度握持热像仪


使用FLIR P660红外热像仪从空中拍摄太阳能电厂获得的热图像

远距离检查

测量期间并非总能轻易获得合适的视场角。在多数情况下,使用三脚架能够解决问题。在较为不利的条件下,可能需要使用移动作业平台或者甚至乘坐直升机飞到太阳能电池上方。在这种情况下,距离目标较远可能是一个优势,因为可以一次性检查一大片区域。为了保证热图像的质量,用于远距离检查的热像仪至少应具备320×240像素、最好是640×480像素的图像分辨率。

热像仪还应配备有互换镜头,以便操作员能够更换长焦镜头,进行远距离检查,比如从直升机上。但是建

议长焦镜头仅用于图像分辨率高的热像仪。使用长焦镜头进行远距离测量的低分辨率热像仪无法探测到指示太阳能电池板故障的细微热量细节。


从不同视角进行检查


使用FLIR P660红外热像仪拍摄的太阳能电池板背面热图像,它的对应可见图像如右图所示

在多数情况下,已安装的光伏组件也可用热像仪从组件后方进行检查。这种方式可以将太阳和云朵的干扰性热反射减至最小。此外,从组件后部获得的温度可能比较高,因为是直接测量电池,而不是透过玻璃表面进行测量。


周围环境和测量条件

应选择晴朗天气进行热像检查,因为云朵会降低太阳辐照度,并产生热反射干扰。但只要所用的热像仪足够灵敏,即便是在阴天也可以获得有用的图像。安静的环境也比较有利,因为太阳能电池板表面的任何气流都会造成传递性冷却,从而降低热梯度。空气温度越低,潜在热对比度就越高。建议在清晨进行热像检查。


这幅热图像展示了大片高温区域。由于缺乏更多信息,无法看清这是热异常还是遮蔽/热反射

另一种提高热对比度的方法是断开电池负载,以断开电流,使热量仅仅依靠太阳辐照度产生。然后接上负载,在电池的发热阶段进行检查。

但在正常情况下,系统检查应在标准运行条件下,即负载状态下进行。取决于电池和问题或故障的类型,在无负载或短路条件下的测量结果可提供额外的信息。测量误差产生测量误差的主要原因是热像仪放置不当和周围环境与测量条件欠佳。典型的测量误差原因有:

视场角过窄

太阳辐照度随着时间推移而改变(例如由于云层变化所致)

热反射(如太阳、云朵、周围更高的建筑、测量装备等)

局部遮蔽(如周围建筑或其他构筑物的遮蔽)


热图像提供的信息

热图像提供的信息如果太阳能电池板的某些部位温度高于其他部位,温暖区域会清晰显现在热图像上。取决于形状和位置,这些热点和热区域能够指示出不同的故障。如果整个组件的温度都高于往常,这可能表明存在互连问题。如果单个电池或电池组显示为一个热点或温度较高的“拼接图案”,通常是旁路二极管故障、内部短路或电池错配所致。


这些红点显示温度一直高于其他组件的组件,表明存在连接故障


在一个太阳能电池内的这个热点表明该电池内部存在物理损伤


遮蔽和电池裂缝在热图像上显示为热点或多边形斑块。电池或电池局部温度升高表明电池发生故障或存在遮蔽。应比较负载、无负载和短路条件下获得的热图像。将从模块正面和背面拍摄的热图像进行比较,也可以得到有价值的信息。


常见模块故障列表

当然,为了准确识别故障,出现异常的模块还应进行电学测试和目视检查。


结论

光伏系统热像检查可迅速定位电池和模块的潜在缺陷,并迅速探测出电气互连问题。检查是在正常运行条件下进行,不需要关闭系统。

为了获得信息量较大的准确热图像,必须遵循某些条件和测量程序:

应使用合适的热像仪和配件;

需要充足的太阳辐照度(至少500W/m2,最好是700W/m2以上);

视场角应在安全范围(5°至60°之间)

避免遮蔽和热反射


热像仪主要用于查找故障。对检测到的异常现象进行分类和评估需要对太阳能技术、被检查系统和附加的电气测量值有透彻的了解。适当的文件材料当然也必不可少,并应包含所有检查条件、附加测量值和其他相关信息。

使用热像仪进行检测(先是用于安装期间的质量控制,紧接着是常规检查)可促进全面、简单地监控系统状态。这将有助于保持太阳能电池板的功能及延长其使用寿命。因此,使用热像仪检测太阳能电池板将显著提升运营公司的投资回报率。



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    收录时间:2017年01月06日 17:49:48 来源:仪器仪表商情网 作者:匿名
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