從2004年的0.063GW到2014年的26.84GW，10年400多倍的增長(zhǎng)速率讓全球見證了光伏發(fā)電的中國(guó)速度。截至2015年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量4318萬千瓦，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。
然而，“前景向好、難題不斷”。看似有強(qiáng)勢(shì)吸引力的光伏電站建設(shè)企業(yè)，一面懷揣著坐擁高收益甚至完成平價(jià)上網(wǎng)終極使命的美好愿景，一面在動(dòng)輒上百億的投資資金面前備受折磨。這些問題的癥結(jié)都指向同一個(gè)核心詞匯——質(zhì)量。
案例一：
2015年5月26日，位于美國(guó)亞利桑那州的蘋果公司Mesa數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi)，這讓科技巨人最看中的“綠色面子工程”卻被燒得滿目瘡痍。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，起火點(diǎn)可能是蘋果工廠屋頂大樓上的光伏組件。
這些安裝在蘋果公司Mesa工廠屋頂上的光伏組件可向當(dāng)?shù)?.4萬戶家庭供應(yīng)電力。不幸的是，這場(chǎng)大火讓美國(guó)最為知名的光伏巨頭FirstSolar公司“躺槍”，引起火災(zāi)的太陽(yáng)能電池板，正是占據(jù)全球薄膜太陽(yáng)能產(chǎn)銷第一的FirstSolar公司。
案例二：
2015年6月26日，中山長(zhǎng)虹項(xiàng)目一名施工人員在連接組件陣列時(shí)被直流電電死，據(jù)了解，是組串的端子沒接匯流箱就放屋頂上了，廣東這幾天暴雨，端子進(jìn)水，施工人員碰到后發(fā)生了該事故。
這是一些令人觸目驚心的事故，以上列舉的只是光伏事故的冰山一角，近年來，僅國(guó)內(nèi)電站產(chǎn)生問題的例子就達(dá)116個(gè)，而且，這個(gè)數(shù)字依然高企不下。
哪些因素導(dǎo)致安全問題？
光伏電站質(zhì)量和安全問題依然層出不窮。那么，到底有哪些因素導(dǎo)致了“問題”的出現(xiàn)？我們的研究團(tuán)隊(duì)走訪了大量的光伏電站，發(fā)現(xiàn)光伏電站主要面臨的安全問題分為組件和逆變器兩大部分。
第一，組件的安全問題主要來自接線盒和熱斑效應(yīng)。
不起眼的接線盒是引起很多組件自燃的“元兇”，接線盒市場(chǎng)較為混亂和無序。劣質(zhì)連接器由于內(nèi)部粗糙不平，接觸點(diǎn)較少，使電阻過高引燃接線盒，進(jìn)而燒毀組件背板引起組件碎裂。
在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽(yáng)電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽(yáng)電池。
第二，逆變器和運(yùn)維漏洞百出。
傳統(tǒng)集中式方案，每個(gè)逆變器100多組串正負(fù)極并聯(lián)在一起，當(dāng)任意的組串正極和負(fù)極漏電，1000V的直流高壓，觸電將無可避免。
傳統(tǒng)電站采用熔絲設(shè)計(jì)增加了直流節(jié)點(diǎn)，電站即使使用熔絲，也不能有效地保護(hù)組件；而且在過載電流情況下，熔絲還會(huì)因熔斷慢，發(fā)熱高，引發(fā)著火風(fēng)險(xiǎn)。
逆變器廠家很多、質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致逆變器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，逆變器或者直流匯流箱數(shù)據(jù)采樣精度不夠，造成故障信息判斷不準(zhǔn)確、不及時(shí)，故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、損失大。
國(guó)家發(fā)改委能源研究所研究員王斯成說：“電站在運(yùn)行一段時(shí)間后存在著大量問題，而電站質(zhì)量直接影響到電站的收益，這也是為什么目前銀行對(duì)投資電站有顧慮的重要原因。然而目前電站開發(fā)商對(duì)這一問題卻沒有足夠重視，這對(duì)行業(yè)來說是傷害。”
FLIR的解決方案——紅外熱像儀
質(zhì)量保證流程對(duì)于太陽(yáng)能電池板極具重要。電池板的正常運(yùn)行是高效發(fā)電、長(zhǎng)期使用壽命和高投資回報(bào)率的必要條件。為了確保正常運(yùn)行，在生產(chǎn)過程中和電池板安裝后，都需要一種快速、簡(jiǎn)易又可靠的太陽(yáng)能電池板性能檢查方法。
FLIR 工程師說，使用熱像儀進(jìn)行太陽(yáng)能電池板檢查有著若干優(yōu)勢(shì)。異常現(xiàn)象能夠清楚地顯示在清晰的熱圖像上，并且與其他大部分方法不同的是，熱像儀能夠用于對(duì)已經(jīng)安裝好的太陽(yáng)能電池板在運(yùn)行期間進(jìn)行檢查，最后，熱像儀還可在短時(shí)間內(nèi)檢查大片區(qū)域。
在研發(fā)領(lǐng)域，熱像儀已經(jīng)是用于太陽(yáng)能電池和電池板檢查的成熟工具。對(duì)于這些復(fù)雜的測(cè)量，配備制冷式探測(cè)器的高性能熱像儀通常用于受控實(shí)驗(yàn)室條件下。
但熱像儀的太陽(yáng)能電池板檢查用途并不僅限于研究領(lǐng)域。非制冷式熱像儀目前正越來越多地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板安裝前的質(zhì)量管理，以及安裝后的常規(guī)預(yù)測(cè)性維護(hù)檢查。
使用熱像儀可以探測(cè)到潛在問題區(qū)域，并在問題或故障真正出現(xiàn)前予以修復(fù)。但并非每一種熱像儀都適合太陽(yáng)能電池檢查，需要遵循一些規(guī)則和指導(dǎo)方針，以便實(shí)施有效檢查，確保得出正確的結(jié)論。
熱像儀檢查太陽(yáng)能電池板規(guī)程
在研制和生產(chǎn)階段，太陽(yáng)能電池是靠通電或使用閃光燈來激活。這確保了充分的熱對(duì)比度，用于精確熱成像測(cè)量。但這種方法不能用于實(shí)地檢查太陽(yáng)能電池板，因此操作員必須確保有足夠的太陽(yáng)能。
為了在實(shí)地檢查太陽(yáng)能電池時(shí)獲得充分的熱對(duì)比度，需要500 W/m2以上的太陽(yáng)輻照度。要獲得最大值結(jié)果，建議準(zhǔn)備好700 W/m2太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)輻照度以kW/m2為單位，描述了一個(gè)表面的瞬間入射能量，該能量可用日射強(qiáng)度計(jì)（用于測(cè)量全球太陽(yáng)輻照度）或太陽(yáng)熱量計(jì)（用于測(cè)量直接太陽(yáng)輻照度）進(jìn)行測(cè)量。太陽(yáng)輻照度主要取決于位置和局部天氣。較低的室外溫度也可提高熱對(duì)比度。
您需要哪一種類型的熱像儀？
用于預(yù)測(cè)性維護(hù)檢查的便攜式熱像儀通常搭載有靈敏度為8–14μm波段的非制冷微量熱型探測(cè)器。但在這個(gè)波段內(nèi)是無法穿透玻璃的。從電池板正面檢查太陽(yáng)能電池時(shí)，熱像儀探測(cè)到的是玻璃表面的熱量分布，但只能間接探測(cè)玻璃下方電池的熱量分布。因此太陽(yáng)能電池板玻璃表面的可測(cè)量和可視溫差比較微弱。為了使這些溫差可見，用于檢查的熱像儀需要具備≤0.08K的熱靈敏度。為了清晰顯現(xiàn)熱圖像中的微弱溫差，熱像儀還應(yīng)能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)電平和跨度。
自動(dòng)模式（左圖）和手動(dòng)模式（右圖）下帶電平和跨度值的熱圖像。
光伏組件一般安裝在具有高度反射性的鋁制框架上，這種框架在熱圖像上會(huì)顯示為冷區(qū)，因?yàn)樗芊瓷涮炜罩猩l(fā)的熱輻射。在實(shí)踐中，這意味著熱像儀記錄到的框架溫度遠(yuǎn)低于0°C。由于熱像儀的直方圖均衡自動(dòng)適配最大和最小測(cè)溫值，許多細(xì)微的熱異常不會(huì)立即顯現(xiàn)。為了獲得高對(duì)比度熱圖像，需要不斷對(duì)電平和跨度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。
未經(jīng)DDE處理的熱圖像（左圖）和經(jīng)過DDE處理的熱圖像（右圖）。
所謂的DDE（數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)）功能提供了解決方式。DDE能夠自動(dòng)優(yōu)化高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景下的圖像對(duì)比度，熱圖像不再需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。因此具備DDE功能的熱像儀非常適用于快速精確的太陽(yáng)能電池板檢查。
實(shí)用功能
熱像儀的另一個(gè)實(shí)用功能是為熱圖像添加GPS數(shù)據(jù)標(biāo)記。這可以幫助在大片區(qū)域，如太陽(yáng)能電廠中輕松定位有問題的模塊，并將熱圖像與設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，例如在報(bào)告中。
熱像儀應(yīng)該配備內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)鏡頭，以便將相關(guān)可見光圖像（數(shù)碼照片）與相應(yīng)的熱圖像一起保存。所謂的疊加模式可將熱圖像與可見光圖像相互疊加，也頗為實(shí)用。聲音和文本注釋可連同熱圖像一起保存在熱像儀中，有利于報(bào)告編寫。
熱像儀放置：考慮熱反射和輻射系數(shù)
雖然玻璃在8–14μm波段的輻射系數(shù)為0.85–0.90，但玻璃表面的測(cè)溫并不容易。玻璃熱反射如同鏡面反射，這意味著不同溫度的周邊物體在熱圖像上能夠清晰呈現(xiàn)。在最糟糕的情形中，這會(huì)導(dǎo)致成像失實(shí)（假“熱點(diǎn)”）和測(cè)量誤差。
熱像檢查中的建議視場(chǎng)角（綠色）和應(yīng)避免的視場(chǎng)角（紅色）。
為了避免熱像儀和操作員的玻璃熱反射，熱像儀不應(yīng)垂直對(duì)準(zhǔn)被檢查的模塊。但輻射系數(shù)在熱像儀垂直時(shí)達(dá)到最大，熱像檢查中的建議視場(chǎng)角（綠色）和應(yīng)避免的視場(chǎng)角（紅色）。并隨著熱像儀角度的增加而減小。5–60°的視場(chǎng)角是一個(gè)較好的平衡點(diǎn)（0°為垂直）。
為避免得出錯(cuò)誤結(jié)論，檢查太陽(yáng)能電池板時(shí)，您需要以正確角度
握持熱像儀。
使用KLIR P660紅外熱像儀從空中拍攝太陽(yáng)能電廠獲得的熱圖像。
遠(yuǎn)距離檢查
測(cè)量期間并非總能輕易獲得合適的視場(chǎng)角。在多數(shù)情況下，使用三腳架能夠解決問題。在較為不利的條件下，可能需要使用移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)或者甚至乘坐直升機(jī)飛到太陽(yáng)能電池上方。在這種情況下，距離目標(biāo)較遠(yuǎn)可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢砸淮涡詸z查一大片區(qū)域。為了保證熱圖像的質(zhì)量，用于遠(yuǎn)距離檢查的熱像儀至少應(yīng)具備320×240像素、最好是640×480像素的圖像分辨率。
熱像儀還應(yīng)配備有互換鏡頭，以便操作員能夠更換長(zhǎng)焦鏡頭，進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢查，比如從直升機(jī)上。但是建議長(zhǎng)焦鏡頭僅用于圖像分辨率高的熱像儀。使用長(zhǎng)焦鏡頭進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量的低分辨率熱像儀無法探測(cè)到指示太陽(yáng)能電池板故障的細(xì)微熱量細(xì)節(jié)。
從不同視角進(jìn)行檢查
使用FLIR P660紅外熱像儀拍攝的太陽(yáng)能電池板背面熱圖像，它的
對(duì)應(yīng)可見圖像如右圖所示。
在多數(shù)情況下，已安裝的光伏組件也可用熱像儀從組件后方進(jìn)行檢查。這種方式可以將太陽(yáng)和云朵的干擾性熱反射減至最小。此外，從組件后部獲得的溫度可能比較高，因?yàn)槭侵苯訙y(cè)量電池，而不是透過玻璃表面進(jìn)行測(cè)量。
周圍環(huán)境和測(cè)量條件
應(yīng)選擇晴朗天氣進(jìn)行熱像檢查，因?yàn)樵贫鋾?huì)降低太陽(yáng)輻照度，并產(chǎn)生熱反射干擾。但只要所用的熱像儀足夠靈敏，即便是在陰天也可以獲得有用的圖像。安靜的環(huán)境也比較有利，因?yàn)樘?yáng)能電池板表面的任何氣流都會(huì)造成傳遞性冷卻，從而降低熱梯度。空氣溫度越低，潛在熱對(duì)比度就越高。建議在清晨進(jìn)行熱像檢查。
這幅熱圖像展示了大片高溫區(qū)域。由于缺乏更多信息，無法看清這是
熱異常還是遮蔽/熱反射。
另一種提高熱對(duì)比度的方法是斷開電池負(fù)載，以斷開電流，使熱量?jī)H僅依靠太陽(yáng)輻照度產(chǎn)生。然后接上負(fù)載，在電池的發(fā)熱階段進(jìn)行檢查。
但在正常情況下，系統(tǒng)檢查應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下，即負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行。取決于電池和問題或故障的類型，在無負(fù)載或短路條件下的測(cè)量結(jié)果可提供額外的信息。
測(cè)量誤差
產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因是熱像儀放置不當(dāng)和周圍環(huán)境與測(cè)量條件欠佳。典型的測(cè)量誤差原因有：
視場(chǎng)角過窄
太陽(yáng)輻照度隨著時(shí)間推移而改變（例如由于云層變化所致）
熱反射（如太陽(yáng)、云朵、周圍更高的建筑、測(cè)量裝備等）
局部遮蔽（如周圍建筑或其他構(gòu)筑物的遮蔽）
熱圖像提供的信息
熱圖像提供的信息
如果太陽(yáng)能電池板的某些部位溫度高于其他部位，溫暖區(qū)域會(huì)清晰顯現(xiàn)在熱圖像上。取決于形狀和位置，這些熱點(diǎn)和熱區(qū)域能夠指示出不同的故障。如果整個(gè)組件的溫度都高于往常，這可能表明存在互連問題。如果單個(gè)電池或電池組顯示為一個(gè)熱點(diǎn)或溫度較高的“拼接圖案”，通常是旁路二極管故障、內(nèi)部短路或電池錯(cuò)配所致。
這些紅點(diǎn)顯示溫度一直高于其他組件的組件，表明存在連接故障。
在一個(gè)太陽(yáng)能電池內(nèi)的這個(gè)熱點(diǎn)表明該電池內(nèi)部存在物理?yè)p傷。
遮蔽和電池裂縫在熱圖像上顯示為熱點(diǎn)或多邊形斑塊。電池或電池局部溫度升高表明電池發(fā)生故障或存在遮蔽。應(yīng)比較負(fù)載、無負(fù)載和短路條件下獲得的熱圖像。將從模塊正面和背面拍攝的熱圖像進(jìn)行比較，也可以得到有價(jià)值的信息。
常見模塊故障列表
當(dāng)然，為了準(zhǔn)確識(shí)別故障，出現(xiàn)異常的模塊還應(yīng)進(jìn)行電學(xué)測(cè)試和目視檢查。
結(jié)論
光伏系統(tǒng)熱像檢查可迅速定位電池和模塊的潛在缺陷，并迅速探測(cè)出電氣互連問題。檢查是在正常運(yùn)行條件下進(jìn)行，不需要關(guān)閉系統(tǒng)。
為了獲得信息量較大的準(zhǔn)確熱圖像，必須遵循某些條件和測(cè)量程序：
應(yīng)使用合適的熱像儀和配件；
需要充足的太陽(yáng)輻照度（至少500W/m2，最好是700W/m2以上）；
視場(chǎng)角應(yīng)在安全范圍（5°至60°之間）
避免遮蔽和熱反射
熱像儀主要用于查找故障。對(duì)檢測(cè)到的異常現(xiàn)象進(jìn)行分類和評(píng)估需要對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)、被檢查系統(tǒng)和附加的電氣測(cè)量值有透徹的了解。適當(dāng)?shù)奈募牧袭?dāng)然也必不可少，并應(yīng)包含所有檢查條件、附加測(cè)量值和其他相關(guān)信息。
使用熱像儀進(jìn)行檢測(cè)（先是用于安裝期間的質(zhì)量控制，緊接著是常規(guī)檢查）可促進(jìn)全面、簡(jiǎn)單地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。這將有助于保持太陽(yáng)能電池板的功能及延長(zhǎng)其使用壽命。因此，使用熱像儀檢測(cè)太陽(yáng)能電池板將顯著提升運(yùn)營(yíng)公司的投資回報(bào)率。
