红外热像法在光伏组件热斑检测中的应用研究
红外热像法在光伏组件热斑检测中的应用研究[20191223160545]
摘 要
在光伏发电技术逐渐普及后，一些阻碍光伏组件发展，导致组件性能差、寿命短等不利因素也不断出现，热斑效应就是其中较为重要的影响因素。
本文首先针对光伏电池研究其工作原理及等效电路，并初步了解光伏电池的表征参数,分析了热斑效应的产生原因以及其对光伏组件带来的影响；对在检测中使用的某型号红外热像仪进行简介；开展了光伏组件一般电特性测试；随后采用红外热像法检测光伏组件，分别作了局部遮阴探测以及不一致性探测，还研究了由于局部遮阴引起的热斑效应的温度变化与时间的关系，在探测中获取了连续红外热像图，并结合软件处理，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决；最后，根据图像分析和实验数据，给出了总结和展望。
红外热像法能够快速识别光伏电池中的问题电池，清晰展示热斑效应，使光伏电池的检测效率得到了较大的提高，为解决热斑效应提供了参考价值。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:光伏热斑效应红外热像仪ApplicationofInfraredThermographyMethodinPVModuleHotSpotEffectDetection
目 录
1.绪 论 1
1.1光伏研究背景及现状 1
1.2课题的目的及研究意义 2
1.3本课题研究的主要内容 2
2.光伏电池及热斑效应 3
2.1光伏电池工作原理 3
2.2光伏电池等效电路 3
2.3光伏电池表征参数 3
2.4热斑效应 4
2.4.1热斑产生的原因 4
2.4.2热斑对光伏组件的影响 4
2.5 本章小结 5
3.红外热像仪简介 6
3.1红外热像仪及其技术指标 6
3.2红外热像仪系统特性 6
3.3红外热像仪操作说明 7
3.4红外热像仪图片处理软件简介 8
3.5本章小结 9
4.红外热像法在光伏组件检测中的应用 10
4.1光伏组件一般电特性测试 10
4.1.1伏安特性测试 10
4.1.2输出特性与相对光强测试 12
4.2红外热像法检测光伏组件 13
4.2.1局部遮阴探测 13
4.2.2遮阴时间与温度探测 15
4.2.3不一致性探测 18
4.3 本章小结 19
5.总结与展望 19
5.1总结 19
5.2改进与展望 20
参考文献 21
致 谢 22
1.绪 论
1.1光伏研究背景及现状
如今，能源危机已经展现在了人们的面前，能够利用的化石能源经过数千年的演变，已经被消耗了相当大的比例。在中国，除太阳能外的其他化石能源均已经低于了世界的平均水平，由此可见，中国对于能源的需求量越来越大，同时也面临着严峻的挑战。随着常规能源的匮乏，可再生能源的需求逐渐加大，其中，太阳能蕴含能量最大，它也是其他可再生能源存在的基础，此外太阳能具有无污染、无噪音等自身优点，成为了当今可持续发展的重中之重。
太阳能的转换利用方式主要有光-热转换、光-电转换以及光-化学转换等三种方式，其中光-电转换方式是利用光生伏特效应的原理制成光伏电池[1]。当今世界各国利用太阳能进行光伏发电，并结合光伏发电技术研究出了一系列的规划，加大了投入和开发。到2004年止，中国的独立、并网逆变器以及通信控制器等技术已经得到发展，并取得了在光伏电站以及光伏用户系统等方面的经验。
随着光伏发电技术的快速发展，光伏发电技术中所出现的问题也受到了广泛的关注，热斑效应就是其中较为重要的影响因素。如果能够快速并成功检测出热斑效应，进而快速解决热斑效应能够在一定程度上保证光伏电池的使用安全并且能够延长其寿命，因此，检测热斑效应具有一定的实际意义和价值。
现今工业上对于光伏电池的热斑故障检测方法主要还是处于在生产线上的目视检测以及伏安特性曲线的检测[1]。若在大功率光伏供电系统中光伏组件数目较多的情况下，采用上述方案将会使系统变得更加复杂。此时，采用红外热像法就显得更为合理。假设光伏电池处在不同的工作状态，那么其表面的温度就会存在明显差异，红外热像法提供了一种快捷检测光伏电池温度分布的方法，通过获取红外热图像，确定光伏组件中热斑的大小与位置，相比传统方法而言，它具有检测故障类型全面以及检测速度较快等优点[1]。
如今，采用红外热像仪检测热斑的应用得到普及。据报道，国外的企业已有成功开发出热斑检测系统，可用于光伏组件的自动化生产线，大大提高了检测效率，近年来，随中国市场对组件产品质量要求的不断提高及国家的大力支持，国内的一些企业加大了研发力度，已经开发出了一些检测设备，具有一定的检测能力，可以应用于检测热斑[2]。
1.2课题的目的及研究意义
随着光伏组件的应用，由于硅晶体材料的高成本以及低转换效率很难在短期内实现，因此人们只能通过延长组件的使用寿命来间接控制其生产成本，然而影响组件寿命的主要因素是热斑效应[2]。造成热斑效应的原因有光伏电池的不一致性等自身因素以及遮阴等外部因素。光伏电池间不一致性或被遮阴，都将可能导致该电池特性在电路中与整体存在不一致现象，存在问题的光伏电池既对光伏组件的输出贡献低，甚至没有贡献，又会消耗其他部分的电池产生的能量，造成局部过热，导致热斑效应的形成[3]。
针对光伏组件的热斑效应，分析热斑效应产生的原因及其对发电性能的影响，并采用红外热像法检测热斑，有效获得光伏组件中热斑的分布以及热斑的温度情况，通过非接触式的方式在大面积光伏组件中快速发现并准确定位存在的热斑，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决，以提高光伏电池组件的寿命[3]。
1.3本课题研究的主要内容
本文针对光伏组件的热斑效应，分析其产生的原因及其对组件发电性能的影响，并采用红外热像法使用红外热像仪进行实地检测热斑，探讨并分析解决热斑危害的可能性，以提高光伏电池及组件的寿命[3]。主要内容包括：
（1）针对光伏电池研究其工作原理及等效电路，并初步了解光伏电池的表征参数；分析了热斑效应产生的原因，以及热斑对光伏组件的影响；
（2）对检测中采用的实时成像的某型号红外热像仪进行简介，了解其技术指标、系统特性以及操作说明，并对图片处理软件进行介绍；
（3）开展光伏组件一般电特性测试，了解电池特性；采用红外热像法检测光伏组件，分别作了局部遮阴探测以及不一致性探测，还研究了由于局部遮阴引起的热斑效应的温度变化与时间的关系，在探测中获取了连续红外热像图，并结合软件处理，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决；
（4）根据图像分析和实验数据，给出了总结和展望。
2.光伏电池及热斑效应
1
2.1光伏电池工作原理
光伏电池是将太阳能转化为电能的半导体器件。
光伏电池由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，两边分别为n区和p区，在两区接触的界面形成p-n结，在结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。
当太阳光照射光伏电池的表面后，能量等于或者大于禁带宽度的光子在p-n结中产生电子-空穴对。在p-n结内建电场的作用下，空穴向p区运动，电子向n区运动，从而在p区形成空穴的积累，在n区形成电子的积累，若电路闭合，就形成了从n区到p区的电流，然后在p-n结中形成电势差即电源。
2.2光伏电池等效电路
（1）理想等效电路
根据上述原理，可把光伏电池看成是一个理想的、能够稳定产生光电流IL的电流源。如图2.1所示，理想等效电路说明了太阳光照射光伏电池后，产生了一定的光电流IL，其中一部分用来抵消p-n结的结电流ID，另外一部分电流则提供给负载。
（2）实际等效电路
图2.2是在光照条件下光伏电池的实际等效电路，图中考虑到了光伏电池自身电阻对其特性的影响。
图中RS为串联电阻，由电池的体电阻、表面电阻以及电极导体电阻与硅表面接触电阻而组成；RSH为分路电阻，它是由硅片边缘不清洁等因素而引起的。RS与RSH相比，RS为低电阻，通常小于1欧姆，而RSH是高电阻，一般约为几千欧姆。对于理想光伏电池，RS应该很小，而RSH则需很大。
2.3光伏电池表征参数
（1）开路电压UOC：当光伏电池两端处于开路状态时，电池的输出电压值。
（2）短路电流ISC：当光伏电池的输出端短路时，流过电池的电流值。
（3）最大输出功率Pmax：光伏电池的输出电压和电流随负载电阻值而变化，当所用的负载电阻使输出电压及电流的乘积最大时，即可以得到最大输出功率。
（4）填充因子FF：填充因子FF是衡量光伏电池输出特性的重要指标，最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，代表光伏电池处于最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表明输出功率越大。
（5）转换效率：光伏电池的转换效率指在电路中接通最佳负载电阻时的最大能量转换效率，也等于光伏电池的输出功率与照射到电池表面的能量之比。
摘 要
在光伏发电技术逐渐普及后，一些阻碍光伏组件发展，导致组件性能差、寿命短等不利因素也不断出现，热斑效应就是其中较为重要的影响因素。
本文首先针对光伏电池研究其工作原理及等效电路，并初步了解光伏电池的表征参数,分析了热斑效应的产生原因以及其对光伏组件带来的影响；对在检测中使用的某型号红外热像仪进行简介；开展了光伏组件一般电特性测试；随后采用红外热像法检测光伏组件，分别作了局部遮阴探测以及不一致性探测，还研究了由于局部遮阴引起的热斑效应的温度变化与时间的关系，在探测中获取了连续红外热像图，并结合软件处理，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决；最后，根据图像分析和实验数据，给出了总结和展望。
红外热像法能够快速识别光伏电池中的问题电池，清晰展示热斑效应，使光伏电池的检测效率得到了较大的提高，为解决热斑效应提供了参考价值。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:光伏热斑效应红外热像仪ApplicationofInfraredThermographyMethodinPVModuleHotSpotEffectDetection
目 录
1.绪 论 1
1.1光伏研究背景及现状 1
1.2课题的目的及研究意义 2
1.3本课题研究的主要内容 2
2.光伏电池及热斑效应 3
2.1光伏电池工作原理 3
2.2光伏电池等效电路 3
2.3光伏电池表征参数 3
2.4热斑效应 4
2.4.1热斑产生的原因 4
2.4.2热斑对光伏组件的影响 4
2.5 本章小结 5
3.红外热像仪简介 6
3.1红外热像仪及其技术指标 6
3.2红外热像仪系统特性 6
3.3红外热像仪操作说明 7
3.4红外热像仪图片处理软件简介 8
3.5本章小结 9
4.红外热像法在光伏组件检测中的应用 10
4.1光伏组件一般电特性测试 10
4.1.1伏安特性测试 10
4.1.2输出特性与相对光强测试 12
4.2红外热像法检测光伏组件 13
4.2.1局部遮阴探测 13
4.2.2遮阴时间与温度探测 15
4.2.3不一致性探测 18
4.3 本章小结 19
5.总结与展望 19
5.1总结 19
5.2改进与展望 20
参考文献 21
致 谢 22
1.绪 论
1.1光伏研究背景及现状
如今，能源危机已经展现在了人们的面前，能够利用的化石能源经过数千年的演变，已经被消耗了相当大的比例。在中国，除太阳能外的其他化石能源均已经低于了世界的平均水平，由此可见，中国对于能源的需求量越来越大，同时也面临着严峻的挑战。随着常规能源的匮乏，可再生能源的需求逐渐加大，其中，太阳能蕴含能量最大，它也是其他可再生能源存在的基础，此外太阳能具有无污染、无噪音等自身优点，成为了当今可持续发展的重中之重。
太阳能的转换利用方式主要有光-热转换、光-电转换以及光-化学转换等三种方式，其中光-电转换方式是利用光生伏特效应的原理制成光伏电池[1]。当今世界各国利用太阳能进行光伏发电，并结合光伏发电技术研究出了一系列的规划，加大了投入和开发。到2004年止，中国的独立、并网逆变器以及通信控制器等技术已经得到发展，并取得了在光伏电站以及光伏用户系统等方面的经验。
随着光伏发电技术的快速发展，光伏发电技术中所出现的问题也受到了广泛的关注，热斑效应就是其中较为重要的影响因素。如果能够快速并成功检测出热斑效应，进而快速解决热斑效应能够在一定程度上保证光伏电池的使用安全并且能够延长其寿命，因此，检测热斑效应具有一定的实际意义和价值。
现今工业上对于光伏电池的热斑故障检测方法主要还是处于在生产线上的目视检测以及伏安特性曲线的检测[1]。若在大功率光伏供电系统中光伏组件数目较多的情况下，采用上述方案将会使系统变得更加复杂。此时，采用红外热像法就显得更为合理。假设光伏电池处在不同的工作状态，那么其表面的温度就会存在明显差异，红外热像法提供了一种快捷检测光伏电池温度分布的方法，通过获取红外热图像，确定光伏组件中热斑的大小与位置，相比传统方法而言，它具有检测故障类型全面以及检测速度较快等优点[1]。
如今，采用红外热像仪检测热斑的应用得到普及。据报道，国外的企业已有成功开发出热斑检测系统，可用于光伏组件的自动化生产线，大大提高了检测效率，近年来，随中国市场对组件产品质量要求的不断提高及国家的大力支持，国内的一些企业加大了研发力度，已经开发出了一些检测设备，具有一定的检测能力，可以应用于检测热斑[2]。
1.2课题的目的及研究意义
随着光伏组件的应用，由于硅晶体材料的高成本以及低转换效率很难在短期内实现，因此人们只能通过延长组件的使用寿命来间接控制其生产成本，然而影响组件寿命的主要因素是热斑效应[2]。造成热斑效应的原因有光伏电池的不一致性等自身因素以及遮阴等外部因素。光伏电池间不一致性或被遮阴，都将可能导致该电池特性在电路中与整体存在不一致现象，存在问题的光伏电池既对光伏组件的输出贡献低，甚至没有贡献，又会消耗其他部分的电池产生的能量，造成局部过热，导致热斑效应的形成[3]。
针对光伏组件的热斑效应，分析热斑效应产生的原因及其对发电性能的影响，并采用红外热像法检测热斑，有效获得光伏组件中热斑的分布以及热斑的温度情况，通过非接触式的方式在大面积光伏组件中快速发现并准确定位存在的热斑，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决，以提高光伏电池组件的寿命[3]。
1.3本课题研究的主要内容
本文针对光伏组件的热斑效应，分析其产生的原因及其对组件发电性能的影响，并采用红外热像法使用红外热像仪进行实地检测热斑，探讨并分析解决热斑危害的可能性，以提高光伏电池及组件的寿命[3]。主要内容包括：
（1）针对光伏电池研究其工作原理及等效电路，并初步了解光伏电池的表征参数；分析了热斑效应产生的原因，以及热斑对光伏组件的影响；
（2）对检测中采用的实时成像的某型号红外热像仪进行简介，了解其技术指标、系统特性以及操作说明，并对图片处理软件进行介绍；
（3）开展光伏组件一般电特性测试，了解电池特性；采用红外热像法检测光伏组件，分别作了局部遮阴探测以及不一致性探测，还研究了由于局部遮阴引起的热斑效应的温度变化与时间的关系，在探测中获取了连续红外热像图，并结合软件处理，进行故障定量分析，探讨解决热斑危害的可能性，助于热斑问题的解决；
（4）根据图像分析和实验数据，给出了总结和展望。
2.光伏电池及热斑效应
1
2.1光伏电池工作原理
光伏电池是将太阳能转化为电能的半导体器件。
光伏电池由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，两边分别为n区和p区，在两区接触的界面形成p-n结，在结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。
当太阳光照射光伏电池的表面后，能量等于或者大于禁带宽度的光子在p-n结中产生电子-空穴对。在p-n结内建电场的作用下，空穴向p区运动，电子向n区运动，从而在p区形成空穴的积累，在n区形成电子的积累，若电路闭合，就形成了从n区到p区的电流，然后在p-n结中形成电势差即电源。
2.2光伏电池等效电路
（1）理想等效电路
根据上述原理，可把光伏电池看成是一个理想的、能够稳定产生光电流IL的电流源。如图2.1所示，理想等效电路说明了太阳光照射光伏电池后，产生了一定的光电流IL，其中一部分用来抵消p-n结的结电流ID，另外一部分电流则提供给负载。
（2）实际等效电路
图2.2是在光照条件下光伏电池的实际等效电路，图中考虑到了光伏电池自身电阻对其特性的影响。
图中RS为串联电阻，由电池的体电阻、表面电阻以及电极导体电阻与硅表面接触电阻而组成；RSH为分路电阻，它是由硅片边缘不清洁等因素而引起的。RS与RSH相比，RS为低电阻，通常小于1欧姆，而RSH是高电阻，一般约为几千欧姆。对于理想光伏电池，RS应该很小，而RSH则需很大。
2.3光伏电池表征参数
（1）开路电压UOC：当光伏电池两端处于开路状态时，电池的输出电压值。
（2）短路电流ISC：当光伏电池的输出端短路时，流过电池的电流值。
（3）最大输出功率Pmax：光伏电池的输出电压和电流随负载电阻值而变化，当所用的负载电阻使输出电压及电流的乘积最大时，即可以得到最大输出功率。
（4）填充因子FF：填充因子FF是衡量光伏电池输出特性的重要指标，最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，代表光伏电池处于最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表明输出功率越大。
（5）转换效率：光伏电池的转换效率指在电路中接通最佳负载电阻时的最大能量转换效率，也等于光伏电池的输出功率与照射到电池表面的能量之比。
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