CN112688640A - 一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***及方法 - Google Patents

一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***及方法 Download PDF

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王彦华
王照玉
徐晨曦
桑盛强
许兆涛
王永立
杨亚菲
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Abstract

本发明公开一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***包括主控站，其中，所述主控站电性连接中继单元，所述中继单元电性连接信号采集单元；所述主控站电性连接MPPT控制***；所述主控站无线连接无人机采集单元；所述无人机采集单元配置红外成像模块。所述主控站利用所述信号采集单元和所述MPPT控制***计算太阳能电池组件的实际内阻和阈值，并根据实际内阻和所述阈值的比较结果判断是否发生热斑。发生热斑时，所述主控站获取发生热斑的太阳能电池组件的测量点，所述主控站控制所述无人机采集单元飞往所述测量点采集红外图像并传回所述主控站，所述主控站分析所述红外图像获取热斑在太阳能电池组件的位置和热斑的严重程度。

Description

一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***及方法
技术领域
本发明涉及热斑检测技术领域，尤其涉及一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***及方法。
背景技术
由于光伏组件被遮蔽或者损坏时，被遮蔽或者损坏的光伏组件不再产生光电流反而成为消耗其他正常光伏组件供电的负载，这种消耗电能产生热能而产生局部放热现象被称作热斑。
出现热斑时，太阳能电池的输出功率会明显减少，而且如果局部温度过高对太阳能电池造成不可逆转的损伤。目前针对光伏组件热斑检测的技术包括：利用红外成像设备对光伏组件进行成像，而由于成像设备一般成本较高、且成像范围有限，不可能一组光伏组件配一个红外成像设备，一般采用飞行器带红外成像设备定时对光伏电厂的光伏组件进行扫描，对成像处理并进行温度分析，因此不能实时的检测光伏阵列发生热斑；还有一种方式是利用最大功率点追踪确定最大功率点的电压和电流，在通过最大功率点的电压和电流求出光伏组件的等效电阻，将等效电阻与电阻阈值进行对比，来实时检测光伏组件是否发生热斑情况，然而这一方式只能确定是否发生热斑，由于最大功率点追踪的光伏组件范围比较大，无法精确的判断发生热斑的位置。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***，应用于配置MPPT控制***的太阳能发电装置，包括主控站，其中，
所述主控站电性连接中继单元，所述中继单元电性连接信号采集单元；
所述主控站电性连接所述MPPT控制***；
所述主控站无线连接无人机采集单元；
所述无人机采集单元配置红外成像模块。
更进一步地，所述信号采集单元包括辐照度传感器和温度传感器，所述辐照度传感器采集辐照度数据并经所述中继单元传输给所述主控站，所述温度传感器采集温度数据并经所述中继单元传输给所述主控站。
更进一步地，所述MPPT控制***包括MPPT控制器，所述MPPT控制器电性连接电流采集单元和电压采集单元；所述MPPT控制器电性连接所述主控站，所述MPPT控制器根据所述电流采集单元的电流信号和所述电压采集单元的电压信号进行最大功率点跟踪，所述MPPT控制器将获取的电流信号和电压信号传输给所述主控站。
更进一步地，所述主控站根据太阳能电池组件的出厂短路电流(Isc)，出厂开路电压(Uoc)计算阈值R'，
Figure BDA0002795034390000021
其中，p为阈值系数。
更进一步地，所述主控站计算当前环境下的短路电流I’sc和开路电压U’oc：
Figure BDA0002795034390000022
U’oc＝Uoc×[1-c×(T-25)]×[1+b×(S-1000)]，
其中，T为所述温度数据、S为所述辐照度数据、Isc出厂短路电流，Uoc出厂开路电压，a＝0.00025，b＝0.00288，c＝0.00288；
所述主控站(1)计算当前环境下的实际内阻R：
Figure BDA0002795034390000023
其中，M和N为与太阳能电池的拓扑结构相关的常数，
Figure BDA0002795034390000024
K为玻尔兹曼常数，e为电荷常数，A为太阳能电池品质因子，Imp为所述电流信号，Ump为所述电压信号；
所述主控站通过比较所述实际内阻R与所述阈值R'判断太阳能电池组件是否发生热斑。
更进一步地，所述无人机采集单元包括无人机控制模块，所述无人机控制模块电性连接云台，所述云台上连接所述红外成像模块，所述红外成像模块电性连接通信模块，所述通信模块电性连接所述无人机控制模块，所述通信模块无线连接所述主控站，所述无人机控制模块电性连接驱动模块。
更进一步地，所述无人机采集单元配置供电模块，所述供电模块电性连接所述红外成像模块、所述无人机控制模块、所述云台、所述通信模块、所述驱动模块。
更进一步地，所述无人机控制模块包括GPS芯片、三轴加速度传感器和地磁传感器。
本发明还提供一种太阳能电池组件热斑故障检测分析控制方法，包括：
主控站获取电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据；
所述主控站根据所述电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据计算太阳能电池组件的实际内阻与阈值，所述主控站判断所述实际内阻是否大于所述阈值，如果大于则有热斑发生，所述主控站控制无人机采集单元飞往发生热斑的太阳能电池组件采集红外图像；
所述无人机采集单元将所述红外图像数据反馈给所述主控站分析。
更进一步地，所述主控站根据所述红外图像色彩获取热斑在所述太阳能电池组件的位置，
所述主控站根据所述红外图像的色彩获取所述太阳能电池组件的温度信息，根据所述温度信息与温度阈值比较判断热斑严重程度。
本申请提出的一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***的方法及程序具体有以下有益效果：
本发明提出的一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***及方法，能够通过MPPT控制***、所述信号采集单元和所述主控站配合实时监控太阳能电池组件是否发生热斑故障，当发生热斑故障时，所述主控站根据MPPT控制***获取发生热斑故障的太阳能电池组件，所述主控站获取所述太阳能电池组件对应的测量点，所述主控站控制所述无人机采集单元飞向所述测量点采集太阳能电池组件的红外图像，并传给所述主控站，所述主控站分析所述红外图像获取热斑的具***置。
通过本发明能够及时的发现太阳能电池组件热斑发生；并通过无人机采集单元精确的对热斑位置进行定位。热斑检测自动化进行，效率高，节省人力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例中太阳能电池组件热斑故障检测分析***的示意图；
图2是本发明实施例中MPPT控制***和主控站的示意图；
图3是本发明实施例中无人机采集单元的示意图；
图4是本发明实施例中无人机采集单元电路架构的示意图；
图5是本发明实施例中选取可执行任务的无人机采集单元的流程图；
图6是本发明实施例中主控站控制无人机采集单元拍摄红外图像的流程图。
图中标号及含义：
1、主控站，2、中继单元，3、信号采集单元，31、辐照度传感器，32、温度传感器，4、MPPT控制***，5、无人机采集单元，51、红外成像模块，52、无人机控制模块，53、云台，54、通信模块，55、驱动模块，56、机体，57、驱动电机，58、供电模块。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行说明，其中，图1是本发明实施例中太阳能电池组件热斑故障检测分析***的示意图；图2是本发明实施例中MPPT控制***和主控站的示意图；图3是本发明实施例中无人机采集单元的示意图；图4是本发明实施例中无人机采集单元电路架构的示意图；图5是本发明实施例中选取可执行任务的无人机采集单元的流程图；图6是本发明实施例中主控站控制无人机采集单元拍摄红外图像的流程图。
参阅图1所示，本发明提供一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***，应用于配置MPPT控制***的太阳能发电装置，包括主控站1，具体实施过程中，所述主控站1为计算机，其中，
所述主控站1电性连接中继单元2，所述中继单元2与所述主控站1通过有线或者无线的通信方式通信。所述中继单元2电性连接信号采集单元3；具体实施过程中，所述中继单元2通过数据线连接太阳能发电厂内全部的所述信号采集单元3；具体的，所述信号采集单元3包括辐照度传感器31和温度传感器32，所述辐照度传感器31采集辐照度数据并经所述中继单元传输给所述主控站1，所述温度传感器32采集温度数据并经所述中继单元2传输给所述主控站1。
所述主控站1电性连接所述MPPT控制***4；具体的，参阅图2所示，所述MPPT控制***包括MPPT控制器，所述MPPT控制器电性连接电流采集单元和电压采集单元；所述MPPT控制器通过IO端口电性连接所述主控站1，所述MPPT控制器从所述电流采集单元获取电流信号，所述MPPT控制器从所述电压采集单元获取电压信号，所述MPPT控制器根据所述电流采集单元的电流信号和所述电压采集单元的电压信号进行最大功率点跟踪，所述MPPT控制器将获取的电流信号和电压信号传输给所述主控站1。
具体实施过程中，所述主控站1配置热斑检测程序，执行所述热斑检测程序，
实现计算当前环境下的短路电流I’sc和开路电压U’oc：
Figure BDA0002795034390000051
U’oc＝Uoc×[1-c×(T-25)]×[1+b×(S-1000)]，
其中，T为所述温度数据、S为所述辐照度数据、Isc为出厂短路电流，Uoc为出厂开路电压，a＝0.00025，b＝0.00288，c＝0.00288；其中，出厂短路电流Isc和出厂开路电压Uoc由用户输入所述主控站1；
实现计算当前环境下的实际内阻R：
Figure BDA0002795034390000052
其中，M和N为与太阳能电池的拓扑结构相关的常数，
Figure BDA0002795034390000053
K为玻尔兹曼常数，e为电荷常数，A为太阳能电池品质因子，Imp为所述电流信号，Ump为所述电压信号。
实现根据太阳能电池组件的出厂短路电流(Isc)，出厂开路电压(Uoc)计算阈值R'，
Figure BDA0002795034390000054
其中，p为阈值系数，用户结合太阳能电池组件的性能设置p的值。
实现比较所述实际内阻R是否大于所述阈值R'，如果所述实际内阻R大于所述阈值R'则判断太阳能电池组件发生热斑，如果所述实际内阻R不大于所述阈值R'则判断太阳能电池组件未发生热斑。
实现获取提供所述电流信号Imp和所述电压信号Ump的所述MPPT控制器信息，由于所述MPPT控制器与太阳能电池组件具有对应关系，进而根据所述MPPT控制器信息获取发生热斑的太阳能电池组件信息。
所述主控站1无线连接无人机采集单元5；具体实施过程中，结合参阅图3和图4所示，所述无人机采集单元5包括机体56，所述机体56内配置无人机控制模块52，所述无人机控制模块52电性连接云台53，所述云台53连接于所述机体，所述云台53上连接所述红外成像模块51，所述红外成像模块51电性连接通信模块54，所述红外成像模块51电性连接所述无人机控制模块52，所述通信模块54电性连接所述无人机控制模块52，所述通信模块54无线连接所述主控站1，所述无人机控制模块52电性连接驱动模块55，所述驱动模块55电性连接驱动电机57，所述驱动电机57设置于所述机体56上，所述驱动电机57的转子连接旋翼。所述无人机采集单元5配置供电模块58，所述供电模块58电性连接所述红外成像模块51、所述无人机控制模块52、所述云台53、所述通信模块54、所述驱动模块55。具体实施过程中，所述供电模块58包括可充电电池，所述可充电电池电性连接降压稳压芯片，所述降压稳压芯片为所述红外成像模块51、所述无人机控制模块52、所述云台53、所述通信模块54、所述驱动模块55供电，所述可充电电池电性连接充电电路和电量检测电路，通过所述充电电路对所述可充电电池进行充电，通过所述电量检测电路检测所述可充电电池的输出电压，所述电量检测电路将输出电压传输给所述无人机控制模块52；所述无人机控制模块52包括GPS芯片、三轴加速度传感器和地磁传感器，通过所述地磁传感器和所述三轴加速度传感器配合获取所述无人机新机单元5飞行姿态信息。所述无人机控制模块52将无人机的身份信息、工作状态、GPS信息，三轴加速度传感器测量的机体姿态信息以及所述可充电电池的电量信息通过所述通信模块54传输给所述主控站1，所述红外成像模块51将采集的红外图像经所述通信模块54发送给所述主控站1，所述无人机控制模块52控制所述红外成像模块51的红外图像采集，所述无人机控制模块52控制所述云台53的姿态，所述无人机控制模块52控制所述驱动模块55以控制所述驱动电机57的转动。
具体实施过程中，所述主控站1配置太阳能发电厂的地图信息，所述地图信息包括每个所述太阳能电池组件位置，所述无人机采集单元5的测量点的经度、纬度和高度，所述测量点为所述无人机采集单元5采集所述太阳能电池组件的红外图像时的停留点，所述测量点由用户设置，所述主控站1配置飞行控制程序，执行所述飞行控制程序，
实现根据所述太阳能电池组件信息获取相应的所述测量点；
实现根据所述无人机采集单元5的充电状态、身份信息和电量信息以及任务队列选取无人机采集单元；
实现将测量点添加到选中的无人机采集单元5的所述任务队列，所述任务队列包括所述无人机采集单元5要去的全部所述测量点；
根据所述无人机采集单元5的当前位置(由所述GPS信息确定)和全部的所述测量点并规划飞行的路线；
实现控制所述无人机采集单元5执行所述路线到所述测量点，并通过所述红外成像模块拍摄红外图像；
实现控制所述无人机采集单元5返航。
其中，参阅图5所示，实现根据所述无人机采集单元5的充电状态、身份信息和电量信息以及任务队列选取无人机采集单元包括：
所述主控站1获取所述无人机采集单元5的身份信息和充电状态；
所述主控站1判断全部的所述无人机采集单元5是否充电；
如果某无人机采集单元在充电，则不选该无人机采集单元工作；
所述主控站1向不在充电的无人机采集单元数据请求，相应的无人机采集单元反馈身份信息、电量信息，所述主控站1根据所述电量信息确定每个无人机采集单元任务队列的任务数阈值；电量越低所述任务数阈值越低；
所述主控站判断所述任务队列是否已满；
如果某无人机采集单元的所述任务队列已满，则不选该无人机采集单元；
如果某无人机采集单元的所述任务队列未满，则选该无人机采集单元。
具体实施过程中，所述主控站1配置图像分析程序，执行所述图像分析程序，
实现对所述红外图像进行处理；
根据所述红外图像获取所述太阳能电池组件的温度信息，所述温度信息为温度在太阳能电池组件表面的温度分布信息；
根据设定的热斑温度阈值判断所述热斑的位置；
获取热斑的最热温度，将所述最热温度与不同级别的温度阈值比较判断热斑的严重程度。
本发明还提供一种太阳能电池组件热斑故障检测分析控制方法，包括：
主控站获取电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据；
所述主控站根据所述电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据计算太阳能电池组件的实际内阻与阈值，所述主控站判断所述实际内阻是否大于所述阈值，如果大于则有热斑发生，所述主控站控制无人机采集单元飞往发生热斑的太阳能电池组件采集红外图像；
所述无人机采集单元将所述红外图像数据反馈给所述主控站进行分析。
所述主控站根据所述红外图像色彩获取热斑在所述太阳能电池组件的位置，
所述主控站根据所述红外图像的色彩获取所述太阳能电池组件的温度信息，根据所述温度信息与温度阈值比较判断热斑严重程度。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池组件热斑故障检测分析***，应用于配置MPPT控制***的太阳能发电装置，其特征在于，包括主控站(1)，其中，
所述主控站(1)电性连接中继单元(2)，所述中继单元(2)电性连接信号采集单元(3)；
所述主控站(1)电性连接所述MPPT控制***(4)；
所述主控站(1)无线连接无人机采集单元(5)；
所述无人机采集单元(5)配置红外成像模块(51)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述信号采集单元(3)包括辐照度传感器(31)和温度传感器(32)，所述辐照度传感器(31)采集辐照度数据并经所述中继单元(2)传输给所述主控站(1)，所述温度传感器(32)采集温度数据并经所述中继单元(2)传输给所述主控站(1)。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述MPPT控制***包括MPPT控制器，所述MPPT控制器电性连接电流采集单元和电压采集单元；所述MPPT控制器电性连接所述主控站，所述MPPT控制器根据所述电流采集单元的电流信号和所述电压采集单元的电压信号进行最大功率点跟踪，所述MPPT控制器将获取的电流信号和电压信号传输给所述主控站(1)。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述主控站(1)根据太阳能电池组件的出厂短路电流(Isc)，出厂开路电压(Uoc)计算阈值R'，
Figure FDA0002795034380000011
其中，p为阈值系数。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述主控站(1)计算当前环境下的短路电流I’sc和开路电压U’oc：
Figure FDA0002795034380000012
U’oc＝Uoc×[1-c×(T-25)]×[1+b×(S-1000)]，
其中，T为所述温度数据、S为所述辐照度数据、Isc出厂短路电流，Uoc出厂开路电压，a＝0.00025，b＝0.00288，c＝0.00288；
所述主控站(1)计算当前环境下的实际内阻R：
Figure FDA0002795034380000021
其中，M和N为与太阳能电池的拓扑结构相关的常数，
Figure FDA0002795034380000022
K为玻尔兹曼常数，e为电荷常数，A为太阳能电池品质因子，Imp为所述电流信号，Ump为所述电压信号；
所述主控站(1)通过比较所述实际内阻R与所述阈值R'判断太阳能电池组件是否发生热斑。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述无人机采集单元(5)包括无人机控制模块(52)，所述无人机控制模块(52)电性连接云台(53)，所述云台(53)上连接所述红外成像模块(51)，所述红外成像模块(51)电性连接通信模块(54)，所述通信模块(54)电性连接所述无人机控制模块(52)，所述通信模块(54)无线连接所述主控站(1)，所述无人机控制模块(52)电性连接驱动模块(55)。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述无人机采集单元(5)配置供电模块(58)，所述供电模块(58)电性连接所述红外成像模块(51)、所述无人机控制模块(52)、所述云台(53)、所述通信模块(54)、所述驱动模块(55)。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析***，其特征在于，所述无人机控制模块(52)包括GPS芯片、三轴加速度传感器和地磁传感器。
9.一种太阳能电池组件热斑故障检测分析控制方法，其特征在于，包括：
主控站获取电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据；
所述主控站根据所述电流信号、电压信号、温度数据和辐照度数据计算太阳能电池组件的实际内阻与阈值，所述主控站判断所述实际内阻是否大于所述阈值，如果大于则有热斑发生，所述主控站控制无人机采集单元飞往发生热斑的太阳能电池组件采集红外图像；
所述无人机采集单元将所述红外图像数据反馈给所述主控站分析。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池组件热斑故障检测分析控制方法，其特征在于，所述主控站根据所述红外图像分析获取热斑在所述太阳能电池组件的位置，
所述主控站根据所述红外图像的色彩获取所述太阳能电池组件的温度信息，对所述温度信息与温度阈值比较判断热斑严重程度。
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