基于無人機及機器視覺的光伏電站“熱斑效應”檢測系統研究

王永強

【摘 要】本文首先分析了光伏組件運行時產生的熱斑效應對電池組件的影響，提出了基于基于無人機及機器視覺的光伏電站“熱斑效應”檢測系統的檢測方案。利用無人機搭載熱成像及高清CCD攝像頭，自動巡航采集圖像，傳輸給地面監控站，利用機器視覺技術進行檢測定位。這種方法比傳統的人工檢測方法有標準一致，速度快，效果好的優點。

【關鍵詞】光伏;熱斑效應;機器視覺;自動巡航

中圖分類號： TM914.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0053-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.025

Research on Detection System of “Hot Spot Effect” of Photovoltaic Power Station

Based on UAV and Machine Vision

WANG Yong-qiang1，2

（1.Tangshan college，Tangshan Hebei 063000，China;2.Tangshans key Laboratory of IOT and mobile Interconnection，Tangshan Hebei 063000，China）

【Abstract】Firstly， this paper analyses the influence of the hot spot effect on the battery module when the photovoltaic module runs.Then it puts forward a detection scheme of the photovoltaic power station "hot spot effect" detection system based on UAV and machine vision. The UAV is equipped with a thermal camera and high-definition CCD camera， which automatically cruises to collect images and transmits them to the ground monitoring station. Machine vision technology is used to detect and locate them. We compared the traditional manual detection method with this methord. this method has the advantages of standard consistency，fast speed and good effect.

【Key words】Photovoltaic; Hot spot effect; Machine vision; Automatic cruise

0 引言

光伏發電是根據光生伏特效應原理，通過光伏面板把太陽能轉化為電能。光伏電站需要大量光伏面板。光伏面板通常安裝在地域開闊、陽光充足的地帶。光伏電站在長期使用過程中難免落上飛鳥、塵土、落葉等遮擋物，這些遮擋物在光伏面板組件上就形成了陰影。由于局部陰影的存在，太陽電池組件中某些電池單片的電流、電壓發生了變化。其結果使太陽電池組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產生了局部溫度升高。光伏組件中某些電池單片本身缺陷也可能使組件在工作時局部發熱，這種現象叫“熱斑效應”。據國外權威統計，熱斑效應可以使光伏組件的實際使用壽命至少減少10%。因此熱斑效應檢測成為目前研究的熱門課題方向之一。

光伏組件熱斑需要專用的熱成像儀方可檢測，通過光伏面板溫度差，來檢測判斷面板是否存在隱患。如今的光伏電站大多為人工巡檢，由于電站面積龐大且受地形影響因素，需要耗費大量時間人力成本，容易產生巡檢盲點，在巡檢頻次上也達不到要求，無法全面檢測光伏組件存在的問題。

賈力在《太陽能光伏組件熱斑效應的檢測與控制措施研究》中，分析了熱斑效應的影響，通過仿真制定了有效的控制方案;楊康等在《光伏電站熱斑測試研究》中，使用高精度紅外儀進行檢測分析，從而得到了熱斑效應對發電量的影響;楊博等在《無人機檢測光伏組件熱斑效應的設計與實現》中提出了使用無人機及ARM11的檢測方案，提高了檢測效率。

1 設計方案

該系統由兩個攝像頭組成，一個為熱成像攝像頭另一個為高清CCD攝像頭。兩個攝像頭能夠同時捕捉光伏組件的實時圖片。然后將兩個攝像頭放置在四旋翼無人機上。四旋翼無人機能夠根據規劃好的飛行路線飛越光伏組件。采集的視頻通過無線傳輸，傳輸給地面監控站。地面監控站用于存儲來自熱成像攝像頭和CCD攝像頭的實時視頻。存儲的視頻由多核CPU進行處理，從而截取最佳處理圖像，通過機器視覺檢測算法，查看到光伏電站的實景全貌和組件上是否存在熱斑、缺失、隱裂等問題，準確標注問題面板，并對其進行精準定位。

2 機器視覺檢測

該系統首先將熱成像攝像頭提取的圖像轉化為灰度圖像;然后將灰度圖像轉化為二值圖像進行邊緣檢測及閾值分割，從而識別輸入圖像中的感興趣區域，也就是熱斑缺陷點。由于有缺陷的太陽能光伏面板在熱圖像中顯示強烈的黃色或白色，因此可以非常容易的識別感興趣的區域。本系統通過對比Sobel算子，Laplacian算子，Canny算子進行圖像邊緣檢測。經過大量實驗，該Canny算子非常適合本系統，有較為優異的處理效果。

綜上，本系統利用Canny算子對二值圖像進行邊緣檢測。邊緣檢測之后，就是圖像分割。圖像分割是將數字圖像劃分成互不相交的區域的過程。本系統采用了高斯濾波和直方圖均衡化處理輸入圖像，從而解決了待測圖像閾值處理的低對比度問題。

另外一個高清CCD攝像頭是一個輔助攝像頭。它采集的圖像主要是用來檢測不能顯示為熱斑的光伏面板運行問題，最主要的就是遮擋而產生的陰影。陰影的存在會使發電站發電量減少。

3 無人機路徑規劃

無人機的飛行如果采用手動模式，這就需要駕駛員有很好的無人機操控能力。否則由于高度、角度不合適，會導致提取圖像不清晰或者提取角度有問題，從而導致所提取的圖像無法滿足需求。為了更好的完成圖像的提取，需要四旋翼無人機按照固定的線路、高度，角度進行飛行，從而要把四旋翼無人機設定為自動模式。這時需要按照光伏電站的實際情況，編程設定四旋翼無人機的自動巡航。

自動巡航包括，飛機的起飛、巡檢，光伏面板換行，降落的一系列流程。自動巡航的線路、高度，角度需要經過現場調試。巡航的線路可以根據GPS傳感器進行設定。設定時要保證兩個攝像頭所拍攝光伏面板圖像應該在圖像中心。飛行高度越高，每次提取圖像包含光伏面板的數量越多，但會影響后期的圖像處理及缺陷識別。飛行角度應該采用光伏面板側上方飛行，從而保證足夠的視場。

4 無人機自動巡檢與人工巡檢的對比

無人機自動巡檢和人工巡檢的優勢在于，由于采用機器視覺技術，可以使故障判斷標準保持一致;比用人工采用熱成像儀檢測速度快、效果好;可在光伏面板運行時檢測，不會影響發電，也不會給光伏面板帶來損傷;可自主設定巡檢需求，設定巡檢時間，及巡檢過程自動化。無人機自動巡檢方法統靈活性強，資本和人力投入較少，可操作性強。

5 結論

本文提出了利用無人機及機器視覺技術的光伏面板“熱斑效應”檢測方法。利用無人機搭載熱成像及高清CCD攝像頭，設定無人機的飛行高度、路線及角度，實現自動巡航。自動巡航過程中將無線傳輸采集圖像給地面監測站，利用機器視覺算法分別對兩個攝像頭采集圖像進行處理，從而將存在缺陷的面板進行定位。實現檢測的自動化。

【參考文獻】

[1]賈力.太陽能光伏組件熱斑效應的檢測與控制措施研究[J].山東工業技術.2017（2）.

[2]楊康，等.光伏電站熱斑測試研究[J].云南師范大學學報（自然科學版）.2015（3）.

[3]楊博，等.無人機檢測光伏組件熱斑效應的設計與實現[J].太陽能.2017（12）.

[4]楊慧.基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統的應用研究[J].太陽能.2019（1）.