（电力电子与电力传动专业论文）光伏阵列故障状态的识别研究.pdf

合肥工业大学博士学位论文 r e s e a r c ho nf a u l ta n a l y s i so fp h o t o v o l t a i ca r r a y a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no f p h o t o v o l t a i ct e c h n i q u e s ，m a n yp h o t o v o l t a i cs y s t e m sh a v eb e e n i no p e r a t i o n i np r a c t i c a l ，w h e np h o t o v o l t a l cm o d u l e sh a v eo p e r a t e df o re i g h tt ot e ny e a r s ，t h el o c a l c e l l sw i l lb ea g e da n dd e s t r o y e do w i n gt ot h ei n f i l t r a t i n ga n dd i f f u s i n go fa i rb u b b l e s ，w h i c hw e r e c a u s e da sm o d u l e sw e r ee n c a p s u l a t e d ，a n dt h eo u t p u tp o w e ro f t h es y s t e mw i l ll o s t t ot h i se n d ，i li s n e c e s s a r ya n dv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h er e a l - t i m eo n - l i n ef a u l ta n a l y s i sa n dd i a g n o s i s m e t h o d sf o rt h ep h o t o v o l t a i ca r r a yi nh i 曲p o w e rp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m b y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h es u r f a c e t e m p e r a t u r e so fp h o t o v o l t a i cc e l l su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t e sa r ed i s t i n c td i f f e r e n t i n f r a r e d ( 1 r ) i m a g i n gs y s t e m s ( c a m e r a s ) n o wp r o v i d eac o n v e n i e n tm e t h o df o rm e a s u r i n gb o t h a b s o l u t ea n dr e l a t i v et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so ns m a l la n dl a r g ec o m p o n e n t sw i t hah i g l ld e g r e eo f t e m p e r a t u r ea n ds p a t i a lr e s o l u t i o n i nt h i st h e s i s ，an e wa n a l y s i sa n dr e c o g n i z i n ga p p r o a c h f o rt h ep h o t o v o l t a i ca r r a yo p e r a t i o ns t a t e w h i c hi sb a s e do nt h ei n f r a r e di m a g ea n a l y s i s ， i sp r o p o s e d a tf i r s t ，t h ei n f r a r e di m a g e so fp h o t o v o l t a i ca r r a y sa r ep r o c e s s e da n d a n a l y z e d ；t h ea b n o r m a la r e a sa n dt h e i rf e a t u r e sa r ea b s t r a c t e d t od e a lw i t hi n f l u e n c e s o f s u c hf a c t o r sa se n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e da n ds o l a ri l l u m i n a t i o n ，w h i c h a f f e c tt h et e m p e r a t u r eo fp h o t o v o l t a i cc e l l s ，af u z z yr e a s o n i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h e d a t af u s i o ni se m p l o y e da n dt h ef a u l ta r e a sa r er e c o g n i z e da u t o m a t i c a l l y t h em a i n o r i g i n a lr e s e a r c ho f t h i st h e s i si n c l u d e ： 1 b ya n a l y z i n gt h em o d e l ，m e c h a n i s m ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e sa n di n f r a r e d r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i cc e l l s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ei n d i r e c t f a u l td i a g n o s i sf o rp h o t o v o l t a i ca r r a y sw i t ht h ei n f r a r e di m a g ea n a l y s i s m e t h o di sv e r i f i e d 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i ca r r a yi n f r a r e di m a g e s ，a s e r i e so fi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d so fg r a yl e v e ll e n g t h e n i n g ，d e n o i s i n g ， 台肥t 业大学博士学位论文 n o n - u n i f o r m i t yb a c k g r o u n dc o r r e c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o nf o rp h o t o v o l t a l ca r r a y i n f r a r e di m a g ea r ep r o p o s e d ，a n dt h ea p p r o a c h e so fe x t r a c t i n gv a l i di n f o r m a t i o n f e a t u r e ss u c ha sa e r o ，s h a p e ，a v e r a g eg r a yv a l u e so fe a c ha r e aa r es t u d i e d a n di m p l e m e n t e d 3 t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ( s u c ha se n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e d ，s o l a ri l l u m i n a t i o n ) i nd i f f e r e n tr e a s o n so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e sa n di n f r a r e dr a d i a t i o nf o r p h o t o v o l t a i cc e l l si sr e s e a r c h e d ，a n daf u z z yb a s e dr e c o g n i t i o nm e t h o df o r d i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t e so fp h o t o v o l t a i cc e l l ss u c ha sn o r m a l ，s h a d o w e d ， a g i n ga n dd e s t r o y e di sp r o p o s e d 4 t h ea n a l y z i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ；a l lt h ep r o p o s e da p p r o a c h e sa n dm e t h o d s a r ei m p l e m e n t e dw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h er e s e a r c hr e s u ks h o w st h ep r o p o s e df a u l ta n a l y s i sa p p r o a c hf o rp h o t o v o l t a i c a r r a y sb a s e do ni n f r a r e di m a g ea n a l y s i sa n dd a t af u s i o ni sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h e r e s e a r c hh a sp r o v i d e dat h e o r e t i cf o u n d a t i o na n dd i r e c t e db a s i sf o rt h er e a l - t i m eo i l - l i n e f a u l td i a g n o s i so f t h eh i g hp o w e rp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a l ca r r a y , t e m p e r a t u r e ，i n f r a r e di m a g ep r o c e s s i n g ，d a t af u s i o n ，f u z z y r e a s o n i n g ，f a u l ta n a l y s i s ，v i s u a lc + + ，m a t l a b 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工 业大学博士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 揣彤彦冲。司寸歧文学 委员： 磊7 限奄魏 陆季寺 著遮茂 导0 币 乇z 矽谍杖 。：假彳哆z 荽j 弛破 今峰z 奶崤教使 荡阪必 吞弛矽蟪 、，、0 一 博士学位论文同行专家评议人组成名单 陈军宁 罗斌 费树岷 夏良正 杨维翰 丁明 蒋建国 徐科军 安徽大学 安徽大学 东南大学 东南大学 安徽工业大学 合肥工业大学 合肥工业大学 合肥工业大学 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、搏导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 博士学位论文同行专家评阅人组成名单 冯焕清 张崇巍 中国科技大学 合肥工业大学 教授、博导 教授、博导 博士学位论文答辩委员会委员组成名单 冯焕清 陈军宁 张崇巍 丁明 蒋建国 中国科技大学 安徽大学 合肥工业大学 合肥工业大学 合肥工业大学 教授、博导 教授、博导 教授、i 博导 教授、博导 教授、博导 博士学位论文答辩委员会主席 冯焕清 中国科技大学教授、博导 合肥工业大学博士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 _ 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 _ 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 插图清单 大气中c 0 2 含量的增长速度2 太阳电池的结构图1 1 太阳电池单元等效电路图1 2 太阳电池i v 特性曲线1 3 太阳电池的伏安特性举例1 3 由光伏组件伏安特性合成光伏阵列伏安特性的方法14 太阳光谱b ( x ) 和硅太阳电池响应的光谱s ( ) 的重合程度1 5 太阳电池在同一日照条件下伏安特性随温度改变情况举例1 5 温度对光伏阵列工作特性的影响1 5 不同温度下太阳电池的p ( v ) 特性1 6 效率q 随日照变动的函数q ( s ) ：- 1 7 日照强度对伏安特性的影响1 7 太阳电池温度对伏安特性的影响1 7 太阳电池温度依赖于日照强度2 0 实验所用太阳能电池组件2 2 工作于不同状态太阳能电池温度曲线图2 3 绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线2 4 部分区域被书遮挡的太阳能光伏阵列彩色及其红外图像2 7 部分投入阴影的光伏阵列彩色及其红外图像2 7 空载、典型负载、短路状况的彩色及红外图像2 7 局部老化损坏红外图像2 8 时域高通滤波算法原理框图3 4 分段线性变换3 6 常见的几种非线性变换函数3 6 直方图非线性拉伸增强算法示意图3 7 部分区域被遮挡的太阳能组件红外及可见光图像3 8 图4 5 ( a ) 的灰度直方图3 8 分段线性拉伸前后光伏组件红外图像及其灰度寅方图3 9 直方图非线性拉伸增强前后的图像及其直方图4 0 邻域平均法滤波4 2 中值与伪中值滤波4 3 输入变量为( f ，) 的隶属度函数4 5 简化后的隶属度函数4 - 6 部分电池损坏的太阳能组件红外图像及滤波结果4 7 部分电池损坏的太阳能组件红外图像及滤波结果4 7 另一幅部分电池损坏的太阳能组件红外图像及滤波结果4 8 组件的一部分被遮挡的红外图像及处理结果4 8 含肥工业大学博士学位论文 圈4 1 7 图4 1 8 阁4 1 9 围4 2 0 嘲4 2 1 图年2 2 图4 - 2 3 嘲4 - 2 4 圈4 2 5 翅审2 6 图5 1 图5 2 圈5 3 图5 _ 4 图5 5 鞠s 8 圈5 7 图5 8 鹜5 9 图5 1 0 嘲5 1 1 黧5 一2 图6 1 圈6 2 强6 3 ( a ) 圈6 3 ( b ) 图6 3 ( c ) 图7 1 图7 2 强7 3 闰7 4 阁7 5 豳7 - 6 图7 7 图7 8 圈7 9 躅7 1 0 图7 1 1 图7 1 1 2 图7 1 3 图7 1 4 图7 1 1 5 图7 1 6 图7 1 7 3 层小波变换的系数分布5 0 太阳能组件红外原始图像- 5 3 5 屡小波分解图5 3 太阳能组俘红外图像暖阂僮纯去蜈结果5 3 太阳能组件红外图像软闽值化去蝾结果5 3 d b l 太阳能组件红外图像小波去噪结果5 4 太阳经饽红外图像d b 8 小波去噪结果5 4 红外图像中的渐变背景及部分遮挡所产生的灰度差5 4 背景均衡化前后的图像5 6 光茯薄碟的巍外图像鸳最均衡化5 6 太阳能光伏阵列组件间隙及其对红外图像产生的影响5 9 二维灰度直方图7 0 模糊子集的定义7 3 各种分害4 方案结果比较7 4 不同状态下太阳能光伏阵列的红外图像7 4 岗部线性拉 审后的图像7 5 模糊聚类后的结果7 5 遗传混合聚娄框图7 7 复杂图像处理结果7 8 正常、部分遮挡红外图像及其差运算结果7 9 拉伸图像及其蓑运算结果7 9 缀俘闷隙的剔除8 0 多传感器数据融合的示意图8 7 数据融合处理模型8 8 数据缓藏合8 9 特征层融合8 9 决策层融合9 0 硬件的总体结构框图9 9 图7 - 2g d 2 0 0 0 外观图1 0 0 p c i 1 4 0 9 的功模块图1 0 1 红外图像处理与故障分析的主流程图1 0 2 红外图像处理v c 界面1 0 3 图像分段线性拉 申漉理图1 0 3 直方图菲线性拉伸流程黼1 0 4 小波滤波流程图1 0 4 模糊滤波漉程圈1 0 5 背聚均衡纯流程图一1 0 6 基于模糊聚类的图像分割流程图1 0 7 闻踩剃除磊标提取流程翻1 0 8 太阳能电池板的密度图1 0 8 仿真总体界面阁1 0 9 区域瀑差输入爨萄1 0 9 环境温度输入界面 0 太阳照度输入界面 0 合肥工业大学博士学位论文 图7 1 8 图7 1 9 图7 2 0 图7 2 1 剧7 2 2 图7 2 3 图7 2 4 风速输入界面1 1 1 模糊诊断的输出界面1 1 1 模糊诊断规则编辑器1 1 2 模糊诊断图形观测器1 1 2 模糊规则观测器1 1 3 局部遮挡情况下红外图像处理结果1 1 3 光伏组件中部分区域老化红外图像处理结果1 1 3 台肥工业大学博士学位论文 表3 1 表4 1 裘6 一l 表6 2 袭6 3 表6 _ 4 衷6 4 表格清单 处于不同工作状态的太隧能光伏维件漏度对比2 3 不同处理方案所用的时间和处理效果比较4 8 模糊变量f 的赋值表9 6 模糊变量丁的赋值表9 6 模糊变量彤赋傻表9 7 模糊变量三赋债表9 7 模糊变量u 赋 莛表9 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金罂王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名签字日期：疋，年岁月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 l 兰些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥蟹王些盔 生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 勘弓 签字日期： 口声弓月引日 学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 ，卜 月 ，孕，”v ) 年 、j v 圹 一 ：一名 期 一签 日 一师 字 导 签 合肥工业人学博士学位论文 致谢 从2 0 0 1 年9 月开始攻读博_ | _ = 学位至今，三年有余的时光匆匆而过。在此期间，受到方 方面面的关照，很想借此论文完稿之机，表达我由衷的谢意。 本论文是在导师王群京教授、杨维翰教授和沈玉揉教授的精心指导下完成的。三年多来 从论文的选题、课题开展直至论文完成的全过程中都伴随着导师的悉心指导。从他们的身上， 我深深地感受到了作为一名真止的科技工作者所应具备的崇高道德品质、严谨求实的学术作 风、勤勉的工作态度和无私的献身精神。这将是我一生的追求目标。 感谢丁明院k 、张崇巍教授、陈梅教授、张兴教授在我的学业完成过程中给予的指导和 帮助。 感谢苏建徽所长、赵为博士和能源研究所的其他老师在论文完成过程中给予的无私帮助 和支持。 本课题的进行过程中，还得到了许多同学的帮助和支持。他们是我的同学郑常宝、汪木 兰、郊诗稃、徐晓冰、王飞、汪海。j 等。在这里，我想要感谢所有给予我帮助的同学们。每 天的朝夕相处，我们之间的友谊和关爱是我人生路上最为宝贵的财富。特别感谢我的研究生 赵国武同学在论文完成过程中提供的帮助。 最厉特别地感谢我的丈夫张力先生，感谢他长期以来对我的理解、支持和对家庭的无私 奉献，使我得以顺利完成本论文。 作者：王培珍 2 0 0 5 年2 月于合肥上业人学 第一章绪论 第一章绪论 1 1 太阳能2 1 世纪最重要的能源之一 太阳能的应用，可以说是- - i g 既古老又新兴的科学技术。 对太阳的崇拜可以追溯到人类历史的起源。实际上，所有伟大的早期农业文化，都经历 了不同形式对太阳的崇拜。当人类开始利用七壤，并受益丁太阳时，就开始崇拜它的威力了。 太阳能利用的现代科学研究始于1 8 4 5 年。那时一位奥地利人cg u n t e r 发明了由许多镜 片组成的太阳锅炉。1 8 7 6 年有一位曾经发明过多种类型热空气机的美国发明家j o h ne r i c s s o n 就曾展望过：住即将到来的某个时候，沿着北非、中东、印度、澳大利亚和中美洲，将会建 立起一库座太阳能发电站。 上吐纪的后、p 叶到本世纪初，在太刚能研究方面的进照相当缓慢。这主要是由于还有廉 价的矿物燃料可用。然而，随着世界人e 1 的迅速增睦和人类文明( 特别是丁业技术) 的进步， 人类对于能源量的需求迅猛增长，地球上存储的能源如术材、煤、天然气和地下矿物燃料已 难以满足这种增长的需要。 根据目前所探明的储量和消费量计算，目前人类主要利用的化石能源( 其中石油、天然 气、煤炭的消费构成分别为4 1 、2 3 和2 7 ) 仅可供全世界大约消费1 7 0 年“”。具体来 说，石油将在4 0 年内耗尽，天然气将在6 0 年内用光，煤炭也只够使用2 2 0 年。由此可见， 在人类开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期仅是一个 不太氏的阶段，化石能源被新能源取代是历史的必然。因此，人类必须未雨绸缪，及甲寻求 替代能源。 此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由丁大量使h l 矿 物能源，全世界每天产生约1 亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的人气污染，图1 1 给 出了近若干年来全球c 0 2 排放的迅速增长情况f 1 1 。 如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的 人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已 经形成一对十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。 2 合肥工业大学博士学位论文 图1 - 1人气中c 0 2 含量的增长速度 2 l 世纪，人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战，在有限资源和环保要求的双 重制约下发展经济已成为全球的热点问题，这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的 清洁能源。 据测算，1 年内到达地球表面的太阳能总量是目前世界己探明储量能源的一万多倍。我 国属于太阳能能源较为丰富的国家之一，全国国土面积2 3 以上的地区每年日照时数大于 2 0 0 0 小时，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发电量的总和。与人 类乃至地球的生命相比较，太阳能可以说是取之不尽、用之不绝的能源【2 1 。 因此，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施， 从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能 源专家们认定。太阳能将成为2 l 世纪最重要的能源之一”、。 1 2 太阳能的主要利用形式和光伏发电的优点 太阳能利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用等三种主要形式。我国低温光热利 用已经具有可观的规模，它成本低、使用方便、安全可靠，已经为全国广人人民所接受。光 伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞”1 。特别 是2 0 0 2 年在“西部大开发”战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。 光伏利用或光伏发电具有以下明显的优点： 1 ) 无污染：绝对零排放无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”； 2 ) 可再生：资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属性； (舌b倒簌群宰蝻 第一章绪论 3 3 ) 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别； 4 ) 机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便； 5 ) 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储； 6 ) 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备 的角度看，它更具有明显的意义； 7 ) 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设各的投资费片j ： 8 ) 光伏建筑集成( b 1 p v b u i l d i n g i n t e g r a t e d p h o t o v o l t a i c s ) ：节省发电基地使用的十地面 积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。 此外，使用太阳能光伏发电可以既不为核电站可能发生的核泄露事故而烦恼，也不必为 水电站的堤坝可能在战争或地震中崩溃而担忧。 由丁太阳电池的主要原料硅的储量十分丰富，随着太阳电池研究的快速进程和转换 效率的不断提高以及与其相关之系统技术的进展，发电成本已经呈现快速下降趋势。可以 预料太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。 1 3 光伏发电产业的发展与现状 由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当 今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。8 0 年代以来，即使在世界经济总体情况 处于衰退和低谷的时期，光伏产业一直保持以1 0 1 5 的递增速度发展。 9 0 年代以米，国外发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的研发高潮，这次的重点并未 放在建造大型并网光伏电站方面，而是侧重发展“屋顶光伏并网系统”。人们认为，屋顶光 伏并网系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的 特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能 源安全，所以受到了各国的重视。 1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“1 0 0 0 个光伏屋顶计划”，继而扩展为“2 0 0 0 个光伏屋顶计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，规定光伏发电的上网电价为每度 电0 9 9 马克( 高丁常规电价0 6 马克度的电价) ，极大地刺激了光伏发电市场。目前德国光伏市 场持续地处于迅速上升的态势，至2 0 0 0 年底实际安装的光伏屋顶总数已达2 7 万户。 4 合肥工业大学博上学位论文 日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1 9 9 4 年1 月通产省宣布“朝 日七年计划”，计划到2 0 0 0 年推广1 6 2 万套太阳能屋顶住房，总功率达到i 8 5 m w ；1 9 9 7 年又 宣布“七万屋顶计划”，日本政府的目标是到2 0 1 0 年光伏并网屋顶系统总容量达到7 6 0 0 m w 。 日本光伏屋顶并网发电系统的特点是：太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电 池瓦”利“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很 容易被建筑公司所接受”“。 美国也是最早进行光伏并网发电的国家之一，8 0 年代初就开始实施p v u s a ( p vu t i l i t y s c a l e a p p l i c a t i o n ) 计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了1 0 0 k w 以上 的火型并网光伏电站4 库，其中容量最大的为6 m w ( 原计划为1 0 m w p ) ；1 9 9 6 年，美国能源 部义开始了一项称为“光伏建筑计划( p v - b o n u s ) ”的实施步伐，共投资2 0 亿美元，专门用 于开发新型光伏建筑集成材料、采光技术，光伏调峰电力装置及光伏组件用并网发电模块等。 1 9 9 7 年6 月，前总统克林顿宜布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划u 2 0 l o 年安装1 0 0 万套 太阳能屋顶，总装机容量为3 0 2 5 m w p ，所产生的电力相当于3 5 座大型燃煤电站，每年可望 减排二氧化碳3 5 亿吨，相当于减少8 5 万辆汽车的尾气排放。同时，通过该计划的实施将使光 伏发电的成本由1 9 9 7 年的2 2 美分度下降：1 1 1 7 7 美分腋 8 1 。 许多其他发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如英国计划5 0 年内要使 石油和再生能源的产量各占5 0 ，日本、韩国以及欧洲地区共8 个国家最近决定携手合作，在 亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站等。属于发展中国家的印度也 在1 9 9 7 年1 2 ) 1 宣布到2 0 2 0 年将建成1 5 0 万套太阳能屋顶并网发电系统。 世界光伏组件产量上世纪末最后1 0 年的平均增长率为2 0 ，从1 9 9 1 年的5 5 兆瓦增艮 到2 0 0 0 年的2 8 7 兆瓦2 8 7 7 m w 。而进入新千年后，全球光伏组件的年均增k = 率更是高达 3 0 【1 2 - 1 3 以上，2 0 0 2 年世界光伏组件的产量达5 5 9 3 m w ，比2 0 0 1 年的4 0 1 4 w m 增长了 3 9 4 f j 4 1 ，据集益太阳能商务网一中国站( h t t p ：w w w , c h i n e s e s o l a rc o m ) 2 0 0 5 年2 月2 5 日最 新整理报道，2 0 0 3 年全球的产蕈达到了7 4 4 兆瓦，2 0 0 4 年太阳能电池片的产量约为9 0 0 兆 瓦，成为全球发展最快的新兴行业之一( 超过了i t 产业和通信产业) 8 1 。按各国的可再生能 源发展计划推算，2 0 1 0 以前光伏行业将持续3 0 以上的高速增妖，2 0 1 0 - - 2 0 4 0 年，光伏行 业的复合增长率将高达2 5 ，可预见的高速增长将持续4 0 年以上。预计到2 0 2 5 年，全世 界高于3 6 的电能将产于光伏，到2 0 3 0 年光伏发电在世界总发电量中将占到5 - - 2 0 t 。 第一章绪论 5 所有这些表明，国际光伏市场已开始由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供 电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。从能源利用的国际发展趋势来看， 光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。 我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化白能源， 环境持续恶化。2 0 0 0 年世界卫生组织( w h o ) 公布的世界上污染最严重的十个大城市中，中国 占了八个，其中北京居丁第七位l ”。人力发展光伏并网发屯将有助于尽早解决这一问题。国 家有关领导部门已经开始给予足够重视，首先是国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技 创新研究、示范及其产业化进程。“八五”和“九五”期间把“光伏屋顶并网发电系统”列 入了“国家科技攻关计划”，在深圳和北京分别建成了1 0 0 k w p 、1 7 k w p 、7 k w p 和5 k w p 的光伏屋顶并网发电系统并成功地实现了并网发电”j 。国家计委“光明j 二程”计划筹资1 0 0 亿元于2 0 0 5 年使光伏系统的总装机容量达剑 o o m w ”i 。世界银我国政府于0 4 年4 月在德 国柏林召开的全球可再生能源发展会议上对外承诺，至2 0 1 0 年中国可再生能源将达到总发 电装机容量的1 0 ，其中光伏系统为4 5 0 m w 。至2 0 2 0 年中国可再生能源将达到总发电装 机容量的2 0 o ，以此推算，光伏系统的安装容量将达到4 - - 8 g w 。欧盟报告认为，0 8 年奥 运会( 绿色奥运) 在j 匕京的召开以及2 0 1 0 年世博会在上海的召开将促使中国政府加快可再 生能源利用的步伐。 1 4 光伏发电技术目前研究的特点与趋势 k 期以来，太刚能电池的价格( 一次投资较高) 和光伏系统的改善和优化一直是制约着 光伏系统推广的两个重要因素。8 0 年代初美国、日本、德国、意大利等国家都曾政府投资建 造了较大型的试验性光伏并网电站，规模从1 0 0 k w 到1 m w 不等。试验结果在发展相应的技 术方面是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳能电池成本过高， 虽然具有明显的减排等环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。因此，不断研制新 型材料，努力提高光伏电池单元的转换效率及其发电系统的能源利用率，成为太阳能发电及 其相关交叉领域广大科技工作者多年来付诸努力并期望获得明显突破的前沿阵地。目前，国 内外光伏发电技术研究的热点主要集中在”“：( 1 ) 从材料、工艺上不断提高光电转换效率和 光伏电池本身的性价比【1 6 , 1 8 , 1 9 ：( 2 ) 通过自动跟踪技术及聚光方式来延长光伏电池光电转换 时间和提高其能量密度，以降低系统成本”j 。( 3 ) 光伏井网以及与风能、柴油机发电机组、 蓄电池等组成智能控制的优化互补系统m 2 1 】：( 4 ) 光伏发电与建筑相结合【2 2 - 2 3 。 6 合肥t 业大学博士学位论文 目前，光伏电池在降低成本上已经取得了较大的进展，如通过改进工艺、扩人规模，太 阳电池组件的生产成本已开始大幅度降低p 1 。组件成本3 0 年来已降低2 个数萤级，2 0 0 0 年 世界重要太阳电池组件厂商的成本均大约为2 5 美元，w p ，组件售价3 5 美元w p 左右。1 9 9 5 年澳大利亚新南威尔十大学与太平洋能源公司合作，投资5 0 0 万美元，计划用7 年时间开发 出薄膜屯池的产业化生产技术，计划建立年产2 0 m w 的生产线。据报道，该项目“可行性分 析报告”中指出，“薄膜太阳电池的成本可下降到1 澳元w p 以下”【2 。这样，太阳能光伏 发电的成本将可与常规能源发电的低谷屯价相比拟。同样，美国、日本、欧洲等其它发达国 家也正在加紧进行相关的研究与发展1 9 j 。2 0 0 1 2 0 0 5 年期间单个生产厂商的规模生产能力预 计可迭5 0 1 0 0 m w 年。单个电池的效率转换也有了明显的提高，如单晶硅产品已经迟到自 分之二十以上【9 】 单晶硅电池的实验室最高效率为2 4 7 ( 澳人利亚新南成尔士大学) 【2 5 】，多 晶硅己达1 6 7 i ”l ，多晶硅电池的实验室最高效率为1 9 8 ( 澳大利亚新南威尔十大学) ，非 晶硅电池的实验室最高效率( 三结) 为1 5 , 2 ( u n i s o l a r ) 。我国的光伏发电技术虽然起步较晚， 近几年来在上述两个方面的研究成果也己日趋成熟p ”8 1 并有效地融入了我国西部大开发的 战略，例如国家光明= 程计划，该工程已得到国际金融组织的引导性资助。 随着自动控制技术的发展和完善，在技术上花费很小投资就可以实现光伏电池自动跟踪 太阳，从而充分发挥太阳能电池的发电能力 2 9 1 ，而采用新材料及聚光( 抛物面型反射式或菲涅 尔透镜透射式) 技术，则可使太阳光伏电池的发电能力提高为原来的几倍甚至几十倍，在这方 面还有许多工作要做，如提光伏电池高自动跟踪系统的可靠性以及探讨具有自洁功能、故寿 命、易加工的聚光器材料等o ”。光伏系统方面，目前已开发出带微型逆变器的光伏组件。这 是革命性的变化，可以记录白天输入电网的电量和夜晚的用电量。 光伏发电与建筑相结合方面，美国、日本和欧盟各国目前都把它作为重点项目积极研发。 联合国能源机构最近发布的调查报告显示，太阳能光伏一建筑一体化( b i p v ) 和并网发电将成 为2 l 世纪最重要的新兴产业【”1 。 随着光伏产业的迅速发展，出现了另一个不容忽视的问题，即如何在太刚能电池的应用、 生产和修复中对其进行检测与监控。因为太阳能电池中微小的瑕疵，或封装过程中残留的微 小的气泡，都将影响太阳能电池的寿命。王祥林等人用断载热像技术对生产过程中1 f 晶硅太 阳能电池作过无损检测”1 ，d l k i n g 等人开始用红外热成像的方法检测太阳能电池的局部 区域击穿和热斑效应 3 1 1 。 光伏组件的平均寿命为2 0 至3 0 年，但实际应用中由于组件封装工艺等原因，当组件运 行八至十年后，局部区域因为气孔的渗入或扩散而老化，这使得组件中的部分电池损坏。此 第一章绪论 7 外，当组件受到遮挡时，也会使光电转换受到影响。为此，光伏系统在设计过程中需充分考 虑冗余，在光伏组件的价格还相对较贵的今天，这无疑是一种不小的浪费。目前，早先几年 安装的系统已经出现局部的老化现象，使得系统的输出受到影响。随着犬规模光伏技术的推 广和应用，如何对光伏系统中光伏电池的工作状态进行在线分析，及时地发现并诊断出故障 的原因，将是一件十分有意义的工作。关于这方面的研究，目前尚未见报道。 1 5 本文主要工作 鉴于以上分析，本文在分析太阳能光伏阵列r 作丁不同状态时的温度特性及其相关红外 特性的基础上，提出了基于红外图像分析的光伏阵列( 电池) 工作状态识别的方法，并对其 进行了实验验证、软件编程实现与仿真。 本文的主要上作如下： 1 分析光伏阵列( 电池) 的伏安特性及其随光照、环境温度及电池自身温度的变化关 系； 2 从理论上推算了理想情况下处丁- 不同状态的太阳能电池间可能产生的温差以及由这 一温差产生的红外辐射峰值波长间的差异，同时分析了实际环境因素对这一温著的影响，并 用红外点式测温没备和红外热像仪对实际温差及其在红外图像中产生的灰度差异