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浅谈红外无人机在光伏电站受灾后的应用
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一、引言

我国光伏发电行业在经历了2013-2017年的高速发展,在2018年经历了行业低谷,531政策的急刹车使得国内市场快速下滑、产品价格快速下降、企业盈利能力持续位于低位,行业发展热度骤降随着光伏行业的发展,但是,受政策影响,行业逐步由过去的粗放式增长、追求规模向精细化发展、行业对光伏电站的质量要求也越来越高,对光伏电站的检测评估也提出了更高的要求,以往的电站的抽检测试已经慢慢的不能满足行业的发展,本文将针对光伏检测中两个比较典型的测试项目EL测试和IR红外测试,通过两种测试的原理方法,结合实际项目的测试,浅谈两种测试在光伏电站灾后评估中的实际应用,希望能给光伏电站受灾后评估,电站验收,电站运维等提供一定的参考方法。

二、测试原理

2.1EL测试原理

电致发光,又称电场发光,简称EL.其原理是平衡P—N结中存在着具有一定宽度和高度的由P区指向N区的内建电场(即势垒区),此时载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消,没有静电流通过P—N结,费米能级处处相等,其能带图如图1所示.当给太阳电池加一正向偏压时,势垒高度降低,势垒区内建电场减弱,但继续发生载流子的扩散,电子由N 区注入P区,同时空穴由P区注入到N区,如图2所示.这些进入P区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子,在实际电池的P—N结中,扩散长度远大于势垒宽度.因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的概率很小,继续向扩散区扩散,P—N结势垒区和扩散区注人了少数载流子,这些非平衡少数载流子不断与多数载流子辐射复合,并发出光子.但组件存在的缺陷会减小少子的寿命,即扩散长度减小,这样电流密度就相应减弱,电池发光强度减小,结合特制的CCD相机拍摄等部件,形成如图3所示的EL 缺陷检测系统,得到光伏组件辐射复合分布图像,根据图像中电池发光强度的不同可以判定电池组件是否存在缺陷,并可根据缺陷形状来判定缺陷类别.

图片1 

平衡P-N

 

图片2 

正偏注入发光

图片3 

3 EL测试系统

2.2 IR测试原理

IR测试(红外测试)的实质是利用物体辐射红外线的特点进行非接触的红外温度记录法。

红外线是一种电磁波,具有与无线电波及可见光一样的本质,波长在0.76~100μm之间,按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类,它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射,它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动,并不停地辐射出热红外能量,分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大,反之,辐射的能量愈小。

一切温度在零度(-273.15K°)以上的物体,都会因自身的分子运动而不停地向周围空间辐射出红外线,物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。通过红外线辐射的探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后(对物体自身辐射的红外能量的测量),就能准确地测定它的表面温度,或者通过成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布,经电子系统处理,传至显示屏上,得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法,便能实现对物体进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断,亦即红外辐射检测的基本原理。

三、测试案例

本项目因遭遇特大冰雹,组件损失严重,工程虽未完工,此次雹灾涉及近20万块组件,为了评估雹灾对组件的性能及长期可靠性的影响,受客户委托对光伏电站抽取20MW并网运行的组件使用红外无人机进行红外全检,结合该项目的EL测试结果,对比两种测试方法优缺点。

图片4 

4某光伏电站雹灾

3.1   红外测试结果

3.1.1         #1结果汇总

图片5 

5  #1平面图

图片6 

3.1.2         #2结果汇总

图片7 

6  #2平面图

图片8 

 

3.1.3         #3结果汇总

图片9 

7 #3平面图

 

图片10 

我们通过红外测试结果,出现热斑的比例总计为0.45%,我们发现只有严重受损的电池片针在红外图片中显示发热异常,如图8和图9,对于受损不严重,电池片缺失面积较小的组件,红线图片显示无热斑现象,图10和图11。

图片11 

8  组件受损EL

图片12 

9  红外图

图片13 

10 无热斑组件EL

图片14 

11 红外图

3.2   热斑原理

当一串组件里面出现一个或者多个电池片遮挡、外力或其他原因导致发电面积缺失(从EL图片上看受损区域是黑丝),导致其中一个电池片的短路电流下降过多,其他电池片产生的功率则被这个“坏”的电池片消耗了,从而形成热斑效应。

图片15 

电流不匹配是形成热斑的必要条件。当坏的或者遮挡的电池片,其短路电流小于其他电池片的工作电流,这个时候接线盒相对应的那个二极管就会启动,此电池片受其他电池片的反偏作用,从而形成热斑。此时二极管流过的电流等于工作电流减去“坏的”电池片的短路电流,相当于分流作用,故也叫旁路二极管。举例来说,如果全部遮挡或者EL整个电池片全黑,所有电流都从二极管走,如果遮挡一半,则一半电流从二极管走。

图片16 

组件中“坏的”电池片缺失面积的大小关系到组件是否会出现热斑,以此次红外测试390W组件为例,组件的Imp=9.49A,Isc=10.12A,在STC条件下,“坏的”电池片断流电流降到Imp以下才会发生热斑情况,因为组件的电流和发电面积是正比关系,近似计算,当电池片面积减少1-Imp/Isc=6.23%,组件就会发生热斑,在实际的电站运行中,因为组件串联适配损失的原因,组串的Imp往往比组件Imp要低,所以实际情况,电池片发电面积缺失7%-8%才会触发热斑的产生(不同的电站,不同组件会稍许不同)。

3.3   功率变化

因为组件安装在支架上已经几个月,组件初始衰减都发生在安装后的前几个月,所以组件有一部分功率损失为组件的初始衰减(一般组件质保为首年2.5%),针对明显冰雹导致的组件隐裂,实验室测试组件的功率,我们发现,组件的功率衰减平均3.45%,其中:1)图9组件依然保持标称功率的97.7%;2)图10组件保持标称功率的95.4%。

图片17 

实验室测试组件1

图片18 

10 实验室测试组件2

四、红外无人机测试异常类型

红外无人机不仅可以测试出现热斑的组件,还可以测试EL无法测试的异常,具体如下:

4.1   红外测试结果

1 #1测试结果

图片19 

 

2  #2测试结果

 

图片20 

3  #3测试结果

图片21 

4.2   红外测试异常说明

4.2.1         破损

组件破损后,失去正面玻璃的保护,电池片破损很严重,正常情况只要组件处于并网发电中,根据3.2所讲,组件是100%发生热斑的,这种测试主要应用场景是组件破损很难通过肉眼或搭载可视光无人机轻松识别,如组件自爆或撞击点不明显,如洪灾导致组件破损,如图16。

 图片22

 

14  组件破损

图片23 

15  破损红外

图片24 


16 洪灾后破损组件(飞行5米)

4.2.2         接线盒虚焊

首先我们看一下接线盒虚焊组件的电气原理图和红外图的对比,下图中最左侧两串是接线盒虚焊对应的组串,从从外图可以看出组串温度偏高约3.5℃(一般都在5℃以内)。

 图片25   

17 虚焊电气原理图

图片26 

18  接线盒虚焊红外图

图片27 

19  接线盒虚焊红外图

图片28 

20 虚焊组件EL(非本项目图片)

从宏观上也可以去理解,由于接线盒虚焊导致左侧两串电池处于开路状态,无电流输出,吸收的光能全部转为热能,而工作状态下的电池串,一部分光能转换为电能输出,另一部分转换成热能,所以开压电压下,电池片温度比工作状态下温度高,温差基本是等于电能输出的那部分能量转换。

从电气原理图上看,接线盒虚焊时,对应位置的二极管中流过的电流为组串的工作电流,因为二极管有正向的压降,二极管就会有功耗,功耗等于正向压降乘上组串工作电流,所以接线盒虚焊都是伴随着二极管发热的。

另外此类发热也是可以排除组件对应串短路(二极管击穿),假如对应组串因为二极管击穿导致的短路,组串的发热和组件或者组串短路属于同一种情况,出现的热斑电池一般是一片或者几片,不会像虚焊那样组串均匀发热。

组件接线盒虚焊在投入运行初期有一部分组件因为热胀冷缩的原因,往往白天温度高,虚焊点断开,通过红外可以显现出来,但是晚上温度较低,导致虚焊点正常接触,即使晚上测试EL测试,组件也是无异常的。

4.2.3         组串开路

组串开路的红外照片表现为比正常工作的组件红外整体温度偏高,颜色表现为更亮一点。

组串开路的原理同4.2.2的原理相同,开路的组串温度比正常工作的组串温度温度高(5摄氏度以内),且不管开路组串中是否有会严重受损的组件都不会出现热斑(包括破损组件)。

图片29 

21组串开路红外图

4.2.4         组串短路

组串短路红外图片表现为组串内所有组件同时出现多块电池片热斑。

3.2热斑原理来讲,组串短路时,组串的工作电流是接近组件的短路电流的,往往很多个电池片满足“当坏的或者遮挡的电池片,其短路电流小于其他电池片的工作电流”这个条件,从红外图片上看会有很多个电池片发热。

图片30 

22组串短路红外图

图片31 

23组串短路红外图

4.2.5         遮挡

电池片被遮挡(鸟粪,杂草,树木等),和电池片受损伤发生热斑原理是一样的,都是导致电池片的发电面积缺失,不同的是遮挡清除,热斑会慢慢消失(热斑时间持续太久会导致组件永久性损伤),电池片受损导致的热斑是一个永久性的热斑,除非更换新组件。

图片32 

24组件阴影遮挡

图片33 

25组件阴影遮挡红外图

五、红外无人机与EL方案对比

项目

红外无人机测试

EL测试

排查异常类型

组件热斑(隐裂比较严重的),组件虚焊,组件破损,组串短路,组串开路,组件遮挡

单块组件隐裂

效率效率

20-30MW/架天

0.1MW/人天

作业时间

白天

晚上

天气要求

光强>600W/m2

正常的人工作业天气

数据记录

数据云平台

人工记录

应用场景

屋顶,山地,水面,农光互补,高支架,跟踪支架等非禁飞区

平地及其他人员、设备能安全进入的场景

工作强度

自动飞行,简单,舒适

高劳动强度

安全性

安全,非接触

晚上进入光伏区,插拔线,夜间作业,安全隐患较多

六、总结

组件异常发热容易导致光伏区着火,对光伏电站的运行带来严重的安全隐患,针对遭受特大雹灾的光伏组件,通过测试数据如下:

1 除了破损组件,出现热斑的比例为0.45%

2) 抽检功率比标称低了3.45%,大部分组件仍然可以正常发电;

因为很多隐裂会随着使用时间的推移,隐裂会变得越来约越严重,也会导致热斑会出现一定比例的增加,光伏电站定期红外检测是很有必要的。

另外, EL全检不仅耗费大量的人力和财力,而且检测周期太长,检测期间发电量的损失也是一大笔费用,尤其针对灾后光伏电站的质量评估,红外无人机测试相比传统的EL全检具有很多优势:

1)    排查故障类型更多,更全面,比如:(组件的运行早期)虚焊,组串的短路,组串开路,阴影遮挡,影响发电量的隐裂或破片的;

2)    测试效率更高,平均每天25MW/架;

3)    测试环境更安全,白天工作,且不需要进入光伏区和接触组件;

4)    检测电站类型多样,覆盖面更广,如:地面电站,水面电站,山地电站,屋顶分布式,农光互补,渔光互补等等;

5)    <span s

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