山地光伏電站復(fù)雜地形下自動無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的開發(fā)

張大為　曹丕　陳勇　王偉林　孫傲　張會

摘要：隨著光伏電站數(shù)量逐年增加，光照充足、地形平坦等建設(shè)條件較好地區(qū)的土地資源日益減少，而在農(nóng)牧業(yè)、湖泊、山地等具有次之建設(shè)條件的區(qū)域建設(shè)光伏電站，已成為光伏電站建設(shè)的優(yōu)先考慮形式，特別是地形地貌復(fù)雜的山地光伏電站最為突出。基于此，本文詳細(xì)探討了山地光伏電站自動無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光伏電站;無人機(jī);自動巡檢

山地光伏電站作為一種大型電站，其占地面積廣，地勢復(fù)雜，組件排布不一致，致使電站運(yùn)維環(huán)境復(fù)雜，日常工作量大，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測困難，易出現(xiàn)紕漏。如何實(shí)現(xiàn)高效的電站巡檢已成為光伏行業(yè)關(guān)注的一個熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的光伏電站巡檢方法相比，無人機(jī)巡檢能有效解決光伏電站長期的巡檢問題，采用無人機(jī)高程和靈活的作業(yè)方式能有效克服光伏電站復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

一、山地光伏電站特點(diǎn)

山地光伏電站是指在山地、丘陵等復(fù)雜地形條件下建設(shè)的光伏電站。

1、山坡朝向差異大，易受山體陰影影響。山區(qū)地形復(fù)雜，高差變化大，陰影部分大部分是由于山體陰影產(chǎn)生，所以合理的選區(qū)布置區(qū)域較為重要。

2、山地地形本身或陣列間的局部遮擋。山區(qū)地勢高低不一，若施工過程中未合理設(shè)計(jì)支架高度，將會出現(xiàn)陣列局部互相遮擋的現(xiàn)象。

3、光伏陣列分散、分區(qū)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的標(biāo)準(zhǔn)化。所以山地光伏電站地形復(fù)雜、高差變化大，合理選取陣列布置區(qū)域、設(shè)置陣列間距、傾角、方位角，均是設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

二、光伏電站無人機(jī)巡檢性能要求

目前，光伏電站要求的生命周期為25年，能及時有效的排除故障是提高電站收益的重要因素。當(dāng)電站某塊組件出現(xiàn)電池片破損隱裂等情況或部分發(fā)電組件被云、樹葉鳥糞等物體遮擋導(dǎo)致接收到的太陽光輻照強(qiáng)度不一致時或連接故障不良會導(dǎo)致局部過熱情況。

在無人機(jī)上掛載可視光和紅外光設(shè)備，按巡航路線采集電站設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，快速檢查光伏組件表面有無破損、污漬，并通過紅外熱量信息直觀觀察電站工作狀態(tài)和輸電設(shè)備是否在異常工作。要求在200W/m～1000W/m輻照度范圍內(nèi)，拍攝的影像能清楚識別光伏組件焊帶、電池片及組件表面的12cm白色不透明遮擋物，圖像清晰無雪花點(diǎn)、閃爍、拖尾等。紅外熱成像設(shè)備需能手動和自動拍攝存儲功能，能設(shè)置最高溫差限制，可顯示最高點(diǎn)溫度位置及溫度值。

三、基于光伏電站的無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)

圖1為基于光伏電站的無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)示意圖，包括搭載紅外熱像儀的無人機(jī)、無人機(jī)地面站、地面充電設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元。其中，無人機(jī)負(fù)責(zé)通過紅外熱像儀采集光伏組件的紅外圖像;無人機(jī)地面站負(fù)責(zé)確保無人機(jī)與地面站的實(shí)時通信，通過航跡規(guī)劃或手動控制無人機(jī)的飛行速度、高度、紅外熱像儀的拍攝角度，獲取無人機(jī)的飛行信息及光伏組件的紅外圖像信息;地面充電設(shè)備負(fù)責(zé)無人機(jī)的自動充電，確保無人機(jī)的飛行動力;數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)處理采集到的紅外圖像信息，標(biāo)記太陽能電池的故障情況，并生成相應(yīng)的故障報(bào)表。

在無人機(jī)巡測系統(tǒng)中，無人機(jī)采用自主研發(fā)的M1六旋翼機(jī)，搭載紅外熱像儀飛行巡檢。無人機(jī)自航儀包括飛控、GPS、聲納，并配有遙控器進(jìn)行輔助控制。無人機(jī)速度可達(dá)80km/h，飛行高度120～200m;可在18km/h風(fēng)速范圍內(nèi)自穩(wěn)或定點(diǎn)懸停;風(fēng)速為40km/h時，定點(diǎn)懸停誤差在30cm以內(nèi)，抗風(fēng)等級為6級;在30～60min內(nèi)，可檢測完20MW組件中各組件的溫度（理論上，在STC標(biāo)準(zhǔn)下，單列光伏伏組件傾斜高度為4.8m，檢測面積長為15km），精度為0.2°。無人機(jī)的動力由大容量鋰電池及配備的地面充電設(shè)備共同保證;其上的大容量存儲裝置確保飛行期間拍攝的影像資料的存儲，無人機(jī)地面站起落點(diǎn)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)，方便傳輸影像數(shù)據(jù)。紅外熱像儀的分辨率為640像素×480像素，測溫范圍為-20～250℃。

四、基于光伏電站的無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)工作流程

在制定光伏電站巡檢計(jì)劃時，應(yīng)先做好巡檢的前期準(zhǔn)備工作，工作人員應(yīng)參照現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場勘察，以確定待巡檢光伏電站的規(guī)模，結(jié)合紅外熱像儀拍攝視角和分辨率，確定無人機(jī)的飛行高度及紅外熱像儀單次拍攝的紅外圖像區(qū)域大小，以規(guī)劃、計(jì)算、制定無人機(jī)的飛行路線和懸停拍照位置;考察一天各時段的光照強(qiáng)度，選擇光照強(qiáng)時段作為無人機(jī)巡檢時間。

起飛后，無人機(jī)按預(yù)先設(shè)定的路線開始巡檢，當(dāng)?shù)竭_(dá)懸停拍照位置時，無人機(jī)自主懸停。同時調(diào)整紅外熱像儀拍攝鏡頭所在平面，使其與光伏組件所在平面平行并進(jìn)行拍攝，拍攝的紅外圖像信息存儲在紅外熱像儀的存儲空間;整個過程完成后，無人機(jī)繼續(xù)按設(shè)定的航線飛行，在下一個懸停位置懸停，拍照、存儲紅外圖像，依次巡檢一周;完成后，無人機(jī)返回并降落在移動保障平臺上，并自動將拍攝的紅外圖像信息上傳到云存儲空間，完成數(shù)據(jù)采集。同時采用智能充電系統(tǒng)自立充電，等待下次巡檢。巡檢頻率可根據(jù)具體需要自行設(shè)定。

五、基于光伏電站的無人機(jī)自動巡檢故障自動識別

自動圖像識別能克服人類識別主觀性強(qiáng)、效率低等問題，但云存儲中心的紅外圖像信息需通過以下步驟計(jì)算處理：

1、紅外圖像拼接。利用圖像拼接技術(shù)，將分塊的紅外圖像信息拼接在一起，還原光伏組件區(qū)域的整體模樣。

2、光伏組件的有效區(qū)域檢測。濾除圖像噪聲，保留圖像邊緣，利用相關(guān)算法提取并圈定組件有效區(qū)域。

3、光伏組件溫度計(jì)算。對有效區(qū)域內(nèi)的圖像灰度進(jìn)行拉伸以增加對比度，使用相關(guān)算法將圖像灰度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，每塊組件取最高溫度。

4、組件溫度值按區(qū)域比較。將測量的溫度值與設(shè)定的閾值溫度進(jìn)行比較，溫差在正常范圍內(nèi)的區(qū)域標(biāo)記為“0”，表示電池片正常，超過閾值溫度范圍標(biāo)記為“1”，表示電池片故障。

5、打印輸出故障報(bào)表。最后，生成并打印包含“0”和“1”信息的整幅紅外圖像相對應(yīng)的故障報(bào)表。

工作人員可根據(jù)輸出故障報(bào)表對光伏電站進(jìn)行維護(hù)。

六、基于光伏電站的無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)與其他巡檢方法的比較

光伏電站無人機(jī)自動巡檢方法的優(yōu)點(diǎn)包括：①整個巡檢過程中故障判斷標(biāo)準(zhǔn)一致;②快速有效的故障檢測;③可在光伏組件工作狀態(tài)下檢測，巡檢時光伏組件不會損壞;④能及時提供數(shù)據(jù)處理與分析，巡檢結(jié)果直觀清晰，維護(hù)可操作性強(qiáng);⑤巡檢時間可根據(jù)需要設(shè)置，整個巡檢過程為自動化。

與基于集群通信的光伏電站故障檢測方法相比，無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、資本與人力投入少、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)分析，若采用綜合能效比PR值來評價(jià)光伏電站的系統(tǒng)性能指標(biāo)，使用無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)可直接降低組件污漬損失4%，陣列遮擋4%，溫度損失1%;可減少清洗量10%，接線盒故障30%，陣列火災(zāi)50%。

參考文獻(xiàn)：

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