光伏陣列輻照度測量辨識(shí)方法
【專利摘要】本發(fā)明采取圖像處理與傳感器測量相結(jié)合的方案：首先將光傳感器分散布置于光伏陣列之中，利用圖像采集設(shè)備拍攝光伏陣列的圖像；然后將圖像及其同步的輻照度測量數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；光伏發(fā)電控制中心對(duì)光伏陣列運(yùn)行圖像進(jìn)行分析處理，辨識(shí)出局部陰影是否存在，及其分布的范圍；最后結(jié)合光傳感器同步測量的輻照度數(shù)據(jù)，通過插值和模糊化處理技術(shù)，估計(jì)光伏陣列各個(gè)位置的輻照度。本發(fā)明不僅可以提高局部陰影分布范圍和輻照度測量的準(zhǔn)確度和速度，而且大大減少了光傳感器的布置數(shù)量。
【專利說明】光伏陣列輻照度測量辨識(shí)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列遭遇局部陰影時(shí)的輻照度測量辨識(shí)技術(shù)，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行條件檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，因其清潔無污染、安裝方便、不受地域限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為繼風(fēng)力發(fā)電之后的主要新能源發(fā)電方式。隨著光伏組件價(jià)格的降低和政府補(bǔ)貼措施的出臺(tái)，光伏發(fā)電裝機(jī)容量呈高速增長，其中包括大容量的荒漠光伏電站、大量分散的中小容量建筑光伏系統(tǒng)。
[0003]光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列由大量光伏電池以一定的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，具有光電轉(zhuǎn)換功能。光伏陣列的最大功率輸出能力與其所處的環(huán)境和自身的陣列結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)光伏陣列采取集中輸出控制時(shí)，局部陰影環(huán)境將對(duì)其輸出外特性產(chǎn)生顯著影響。局部陰影不僅削弱光伏陣列潛在的最大功率輸出能力，而且會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的輸出外特性更加復(fù)雜化，給最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制、重構(gòu)優(yōu)化、發(fā)電功率預(yù)測等帶來很大的困難。
[0004]局部陰影條件下，光伏陣列中各個(gè)光伏電池所接收到的太陽光輻照度和電池溫度可能存在差異?？紤]到局部陰影可能千變?nèi)f化，若要掌握整個(gè)光伏陣列的局部陰影狀況，通常需要安裝大量的光傳感器和溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列中各個(gè)位置的輻照度和溫度的測量。大量的傳感器意味著建設(shè)成本高和系統(tǒng)復(fù)雜。若對(duì)局部陰影形狀準(zhǔn)確度測量要求越高，傳感器的數(shù)量將成倍增加。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)局部陰影下光伏陣列輻照度測量存在的缺點(diǎn)，提出結(jié)合傳感器測量技術(shù)和圖像分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏陣列局部陰影時(shí)輻照度的全面檢測。該方法所需的傳感器數(shù)量非常少，但是可以實(shí)現(xiàn)高精度、快速的局部陰影檢測效果。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明提出的技術(shù)方案涉及光伏陣列、光傳感器、圖像采集裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、光伏發(fā)電控制中心等主要設(shè)備，具體包括如下步驟:
[0007]1、確定光伏陣列的分布范圍及陣列中光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上還可以增加可選步驟如下:
[0008]a)在不影響封裝電池的工作特性的前提下，對(duì)光伏電池板的邊框進(jìn)行預(yù)處理，例如涂抹顏料或熒光粉，使局部陰影在拍攝的圖像中更加容易被辨識(shí)；
[0009]2、布置光傳感器的安裝位置，用其測量安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)需要標(biāo)記記錄時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與采集的圖像保持同步，輻照度及其采集時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心，光傳感器有兩種布置方案可選:
[0010]a)固定布置方式:在光伏陣列的四角、四周中點(diǎn)、中心等典型位置安裝光傳感器，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其采集時(shí)間和位置信息傳遞到控制中心；
[0011]b)運(yùn)動(dòng)布置方式:在光伏陣列的四周以及光伏電池板之間設(shè)置軌道安裝可移動(dòng)的光傳感器，讓光傳感器沿軌道勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)測量其經(jīng)過各點(diǎn)的輻照度，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其對(duì)應(yīng)的位置和時(shí)間信息傳送到控制中心；
[0012]3、設(shè)置圖像采集裝置的拍攝位置，圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，并標(biāo)記圖像采集時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與輻照度測量數(shù)據(jù)保持同步，圖像及其拍攝時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；圖像采集裝置的拍攝位置三種方案可供選擇:
[0013]a)固定不變:圖像采集裝置的安裝位置保持固定不變，確保其能夠拍攝到完整的光伏陣列圖像；
[0014]b)兩個(gè)位置輪換:考慮到固定安裝的圖像采集裝置為了獲取較好的拍攝效果，可能人為地引入局部陰影，因此可以在東西兩個(gè)方位設(shè)置2個(gè)圖像采集裝置安裝點(diǎn)，上午在西邊方位進(jìn)行圖像采集，下午則轉(zhuǎn)換到東邊方位進(jìn)行圖像采集，從而避免圖像采集裝置的陰影出現(xiàn)在光伏陣列上；
[0015]c)隨太陽變動(dòng)；為了獲得理想的光伏陣列圖像效果，降低圖像處理難度，提高局部陰影辨識(shí)精度，可以考慮圖像采集裝置隨太陽的東升日落不斷改變位置；
[0016]4、光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對(duì)光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識(shí)局部陰影的分布范圍和均勻程度，可以采取下述措施:
[0017]a)根據(jù)光伏組件邊框圖像的灰度值來估算整塊光伏電池板(以邊框顏色為背景時(shí))的灰度值分布，可以采用插值技術(shù)和模糊化技術(shù)，以此消除邊框與電池顏色不同引入的灰度值差異；
[0018]b)統(tǒng)計(jì)光伏陣列中所有光伏電池板的灰度值的均方差，若均方差小于閾值，則認(rèn)為不存在局部陰影，即輻照度的分布均勻；反之，則選取灰度值較大(例如前10%)的光伏電池板作為無陰影區(qū)域，剩余部分光伏電池作為陰影區(qū)域；
[0019]c)若局部陰影范圍內(nèi)灰度值的均方差較小，則認(rèn)為局部陰影處的光輻照度是均勻的；否則，則認(rèn)為局部陰影處的輻照度是不均勻的；
[0020]5、根據(jù)圖像拍攝時(shí)光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，對(duì)照局部陰影辨識(shí)結(jié)果，擬合出光伏陣列各個(gè)位置的輻照度數(shù)據(jù)，擬合方法如下:
[0021]a)若圖像分析結(jié)果判斷光伏陣列不存在局部陰影，則整個(gè)光伏陣列的輻照度取所有光傳感器測量值的平均；
[0022]b)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影處輻照度較均勻時(shí)，陰影區(qū)域的輻照度水平取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值(同步測量為佳，異步測量應(yīng)當(dāng)注意間隔時(shí)間不宜過大)的平均值，非陰影區(qū)域的輻照度則取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值的平均值；
[0023]c)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影分布不均勻時(shí)，則根據(jù)圖像灰度值與輻照度的正相關(guān)關(guān)系，利用光傳感器的測量數(shù)據(jù)來推算局部陰影區(qū)域各個(gè)光伏電池的輻照度值。
[0024]本發(fā)明可進(jìn)一步結(jié)合紅外熱成像技術(shù)測量得到的光伏陣列溫度分布數(shù)據(jù)，從而快速獲取并構(gòu)造實(shí)際光伏陣列運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，不僅有助于光伏陣列輸出特性的求解，而且也有助于光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率的跟蹤與預(yù)測，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)光伏陣列局部陰影時(shí)輻照度的全面檢測，所需的傳感器數(shù)量非常少，可以實(shí)現(xiàn)高精度、快速的局部陰影檢測效果?！緦＠綀D】

【附圖說明】:
[0026]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框架圖
[0027]圖2實(shí)施案例中光伏陣列的圖像:(a)無陰影時(shí)；(b)局部陰影時(shí)
圖3實(shí)施案例局部陰影辨識(shí)過程:(a)光伏組件邊框和電池區(qū)域識(shí)別結(jié)果；(b)局部陰影初步辨識(shí)結(jié)果；(C)局部陰影分布范圍辨識(shí)結(jié)果
【具體實(shí)施方式】:
[0028]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0029]光伏陣列輻照度測量辨識(shí)方法，包括下列步驟:
[0030]步驟1，確定光伏陣列的分布范圍及陣列中光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記，在不影響封裝電池的工作特性的前提下，對(duì)光伏電池板的邊框進(jìn)行預(yù)處理，例如涂抹顏料或熒光粉，使局部陰影在拍攝的圖像中更加容易被辨識(shí)；
[0031]步驟2，布置光傳感器的安裝位置，用其測量安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)需要標(biāo)記記錄時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與采集的圖像保持同步，輻照度及其采集時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心，光傳感器布置方案有兩種可選:
[0032]a)固定布置方式:在光伏陣列的四角、四周中點(diǎn)、中心等典型位置安裝光傳感器，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其采集時(shí)間信息傳遞到控制中心；
[0033]b)運(yùn)動(dòng)布置方式:在光伏陣列的四周以及光伏電池板之間設(shè)置軌道安裝可移動(dòng)的光傳感器，讓光傳感器沿軌道勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)測量其經(jīng)過各點(diǎn)的輻照度，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其對(duì)應(yīng)的位置和時(shí)間信息傳送到控制中心；
[0034]步驟3，設(shè)置圖像采集裝置的拍攝位置，圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，并標(biāo)記圖像采集時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與輻照度測量數(shù)據(jù)保持同步，圖像及其拍攝時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；圖像采集裝置的拍攝位置三種方案可供選擇:
[0035]c)固定不變:圖像采集裝置的安裝位置保持固定不變，確保其能夠拍攝到完整的光伏陣列圖像；
[0036]d)兩個(gè)位置輪換:考慮到固定安裝的圖像采集裝置為了獲取較好的拍攝效果，可能人為地引入局部陰影，因此可以在東西兩個(gè)方位設(shè)置2個(gè)圖像采集裝置安裝點(diǎn)，上午在西邊方位進(jìn)行圖像采集，下午則轉(zhuǎn)換到東邊方位進(jìn)行圖像采集，從而避免圖像采集裝置的陰影出現(xiàn)在光伏陣列上；
[0037]e)隨太陽變動(dòng)；為了獲得理想的光伏陣列圖像效果，降低圖像處理難度，提高局部陰影辨識(shí)精度，可以考慮圖像采集裝置隨太陽的東升日落不斷改變位置；
[0038]步驟4，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對(duì)光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識(shí)局部陰影的分布范圍和均勻程度，可以采取下述措施:
[0039]f)根據(jù)光伏組件邊框圖像的灰度值來估算整塊光伏電池板(以邊框顏色為背景時(shí))的灰度值分布，可以采用插值技術(shù)和模糊化技術(shù)，以此消除邊框與電池顏色不同引入的灰度值差異；[0040]g)統(tǒng)計(jì)光伏陣列中所有光伏電池板的灰度值的均方差,若均方差小于閾值,貝Ij認(rèn)為不存在局部陰影，即輻照度的分布均勻；反之，則選取灰度值較大(例如前10%)的光伏電池板作為無陰影區(qū)域，剩余部分光伏電池作為陰影區(qū)域；
[0041]h)若局部陰影范圍內(nèi)灰度值的均方差較小，則認(rèn)為局部陰影處的光輻照度是均勻的；否則，則認(rèn)為局部陰影處的輻照度是不均勻的；
[0042]步驟5，根據(jù)圖像拍攝時(shí)光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，對(duì)照局部陰影辨識(shí)結(jié)果，擬合出光伏陣列各個(gè)位置的輻照度數(shù)據(jù)，擬合方法如下:
[0043]i)若圖像分析結(jié)果判斷光伏陣列不存在局部陰影，則整個(gè)光伏陣列的輻照度取所有光傳感器測量值的平均；
[0044]j)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影較均勻時(shí)，陰影區(qū)域的輻照度水平取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值(同步測量為佳，異步測量應(yīng)當(dāng)注意間隔時(shí)間不宜過大)的平均值，非陰影區(qū)域的輻照度則取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值的平均值；
[0045]k)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影分布不均勻時(shí)，則根據(jù)圖像灰度值與輻照度的正相關(guān)關(guān)系，利用光傳感器的測量數(shù)據(jù)來推算局部陰影區(qū)域各個(gè)光伏電池的輻照度值。
[0046]光伏陣列輻照度測量系統(tǒng)框架如圖1所示，分別在陣列的四周和中心位置布置固定的光傳感器，并在指定位置安裝攝像機(jī)一臺(tái)，光傳感器測量的輻照度數(shù)據(jù)和攝像機(jī)拍攝的光伏陣列圖像將實(shí)時(shí)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心進(jìn)行局部陰影辨識(shí)。
[0047]攝像機(jī)拍攝到某光伏陣列無陰影時(shí)的圖像如圖2(a)所示，將其轉(zhuǎn)化為灰度數(shù)據(jù)矩陣，數(shù)據(jù)矩陣中與光伏組件邊框(白色)位置對(duì)應(yīng)的灰度值遠(yuǎn)大于光伏電池片區(qū)域，而且無陰影處的各個(gè)光伏組件的邊框灰度值相近、各個(gè)組件中光伏電池片的灰度值也相近，據(jù)此可以劃分邊框區(qū)域和電池區(qū)域，辨識(shí)結(jié)果如圖3(a)所示，白色區(qū)域表示邊框，黑色區(qū)域表不光伏電池。
[0048]攝像機(jī)拍攝到的該光伏陣列處于局部陰影時(shí)的圖像如圖2(b)所示，將其轉(zhuǎn)化為灰度數(shù)據(jù)矩陣。分別對(duì)邊框區(qū)域與電池區(qū)域的灰度值進(jìn)行處理和分析，可以得到局部陰影的初步辨識(shí)結(jié)果如圖3(b)所示，黑色表示存在陰影區(qū)域，白色表示無陰影區(qū)域。對(duì)圖3(b)所示局部陰影辨識(shí)結(jié)果進(jìn)一步作模糊化處理，可以得到局部陰影分布范圍如圖3(c)所示。
[0049]由于本實(shí)施例中，局部陰影處輻照度較均勻，因此，陰影處和無陰影處的輻照度可以分別取對(duì)應(yīng)區(qū)域中圖像采集時(shí)刻光傳感器測量值的平均，分別為200W/m2和600W/m2。將圖3(c)與圖2(b)對(duì)比可見，通過圖像灰度值分析，可以獲得較好的局部陰影辨識(shí)效果。
[0050]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.光伏陣列輻照度測量辨識(shí)方法，涉及光伏陣列、光傳感器、圖像采集裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、光伏發(fā)電控制中心等主要設(shè)備，具體包括下列步驟: 步驟1，確定光伏陣列的分布范圍及陣列中光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記， 步驟2，布置光傳感器的安裝位置，用其測量安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)需要標(biāo)記記錄時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與采集的圖像保持同步，輻照度及其采集時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心，光傳感器布置方案有兩種可選: a)固定布置方式:在光伏陣列的四角、四周中點(diǎn)、中心等典型位置安裝光傳感器，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其采集時(shí)間和位置信息傳遞到控制中心； b)運(yùn)動(dòng)布置方式:在光伏陣列的四周以及光伏電池板之間設(shè)置軌道安裝可移動(dòng)的光傳感器，讓光傳感器沿軌道勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)測量其經(jīng)過各點(diǎn)的輻照度，并配置通信網(wǎng)絡(luò)，將輻照度及其對(duì)應(yīng)的位置和時(shí)間信息傳送到控制中心； 步驟3，設(shè)置圖像采集裝置的拍攝位置，圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，并標(biāo)記圖像采集時(shí)刻的時(shí)間和位置，以便與輻照度測量數(shù)據(jù)保持同步，圖像及其拍攝時(shí)間和位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；圖像采集裝置的拍攝位置三種方案可供選擇: c)固定不變:圖像采集裝置的安裝位置保持固定不變，確保其能夠拍攝到完整的光伏陣列圖像； d)兩個(gè)位置輪換:考 慮到固定安裝的圖像采集裝置為了獲取較好的拍攝效果，可能人為地引入局部陰影，因此可以在東西兩個(gè)方位設(shè)置2個(gè)圖像采集裝置安裝點(diǎn)，上午在西邊方位進(jìn)行圖像采集，下午則轉(zhuǎn)換到東邊方位進(jìn)行圖像采集，從而避免圖像采集裝置的陰影出現(xiàn)在光伏陣列上； e)隨太陽變動(dòng)；為了獲得理想的光伏陣列圖像效果，降低圖像處理難度，提高局部陰影辨識(shí)精度，可以考慮圖像采集裝置隨太陽的東升日落不斷改變位置； 步驟4，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對(duì)光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識(shí)局部陰影的分布范圍和均勻程度，可以采取下述措施: f)根據(jù)光伏組件邊框圖像的灰度值來估算整塊光伏電池板(以邊框顏色為背景時(shí))的灰度值分布，可以采用插值技術(shù)和模糊化技術(shù)，以此消除邊框與電池顏色不同引入的灰度值差異; g)統(tǒng)計(jì)光伏陣列中所有光伏電池板的灰度值的均方差，若均方差小于閾值，則認(rèn)為不存在局部陰影，即輻照度的分布均勻；反之，則選取灰度值較大(例如前10%)的光伏電池作為無陰影區(qū)域，剩余部分光伏電池作為陰影區(qū)域； h)若局部陰影范圍內(nèi)灰度值的均方差較小，則認(rèn)為局部陰影處的光輻照度是均勻的；否則，則認(rèn)為局部陰影處的輻照度是不均勻的； 步驟5，根據(jù)圖像拍攝時(shí)光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，對(duì)照局部陰影辨識(shí)結(jié)果，擬合出光伏陣列各個(gè)位置的輻照度數(shù)據(jù)，擬合方法如下: i)若圖像分析結(jié)果判斷光伏陣列不存在局部陰影，則整個(gè)光伏陣列的輻照度取所有光傳感器測量值的平均； j)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影較均勻時(shí)，陰影區(qū)域的輻照度水平取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值(同步測量為佳，異步測量應(yīng)當(dāng)注意間隔時(shí)間不宜過大)的平均值，非陰影區(qū)域的輻照度則取該區(qū)域內(nèi)所有光傳感器測量值的平均值； k)若圖像分析結(jié)果判斷存在局部陰影且局部陰影分布不均勻時(shí)，則根據(jù)圖像灰度值與輻照度的正相關(guān)關(guān)系，利用光傳感器的測量數(shù)據(jù)來推算局部陰影區(qū)域各個(gè)光伏電池的輻照度值。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏陣列輻照度測量辨識(shí)方法，其特征在于:步驟I增加可選步驟如下: I)在不影響封裝電池的工作特性的前提下，對(duì)光伏電池板的邊框進(jìn)行預(yù)處理，例如涂抹顏料或熒光粉，使局部陰影在拍攝的圖像中更加容易被辨識(shí)。
【文檔編號(hào)】G01J1/00GK103712685SQ201310457007
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】戚軍, 張曉峰 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)