CN106153580A - 一种光伏板清洁度的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能光伏板的清洁度检测技术，特指一种光伏板清洁度的检测的方法及装置。此方法是通过测量光伏板散射受调制的激光束信号的强度来检测光伏板的清洁度，配套装置包括清洁度传感器和信号处理装置；所述的清洁度传感器包括激光器、调制装置、会聚透镜以及探测器，主要完成对于散射光的收集以及光电转换；所述的信号处理装置包括直流稳压电源、信号处理电路、微处理器以及通讯电路，主要完成电信号的AD转换、放大以及传输。本发明有测量精度高、装置简单、经济实用、操作简便、抗干扰能力强，并且容易实现在线测量等优点。

Description

一种光伏板清洁度的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及太阳能光伏板的清洁度检测技术，特指一种利用光的散射对光伏板清洁度的检测方法及装置。

背景技术

太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在化石燃料日趋减少情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。光伏发电技术也已逐步发展成熟，可以产生新兴、无污染的可再生能源，并在国内外得到广泛的应用。

光伏板作为光电转换的载体，对光电转换的效率有着至关重要的作用。为了接收到更多的光照，光伏板大多被放置在户外，常常会有积灰落在光伏板上，因此会对光伏板的发电效率有严重影响。为了使工作人员对光伏板上的积灰及时清理，对光伏板清洁度的检测尤为重要，但是现有的技术中，还不能快速测量光伏板的清洁度并准确给出实时量化的数据。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种光伏板清洁度的检测方法及装置的技术方案，该方法能得到实时量化的光伏板清洁度数据，为工作人员及时清洁光伏板提供重要依据。

一种光伏板清洁度检测方法，其原理是通过测量光伏板散射受调制的激光束信号的强度来检测光伏板的清洁度。具体方法是用一束激光以一定的角度照射到光伏板表面，在光伏板上形成一个狭长的椭圆光斑，椭圆光斑具有检测面积大、信号强的特性。激光束在光伏板表面发生散射和反射以及折射，在与激光束同侧的区域只存在散射光，另一侧同时存在反射光和散射光。当光伏板表面积灰越多，散射光越强，反射光越弱，测量与激光束同侧的散射光光强，通过定标计算，即可得到光伏板的清洁度。

所述的一种光伏板清洁度检测方法，其特征在于与激光束同侧区域只存在散射光，根据可得所述的散射光越强I(v_xy)越小则清洁度S_a越高，即光伏板表面积灰越少。

光伏板清洁度检测方法的配套装置，包括清洁度传感器和信号处理装置，清洁度传感器包括激光器、调制装置、会聚透镜以及探测器，其特征在于：所述的激光器受调制装置的控制发出脉冲激光束，脉冲激光束照射到光伏板表面，经光伏板散射形成的散射光由会聚透镜会聚于透镜后焦平面的探测器上，由探测器将光信号转换为电信号。

光伏板清洁度检测方法的配套装置，信号处理装置包括直流稳压电源、信号处理电路、微处理器以及通讯电路，其特征在于：直流稳压电源为激光器、调制装置、信号处理电路、微处理器以及通讯电路供电。微处理器通过控制调制装置对激光器进行周期调制发出的脉冲激光束，探测器接收到会聚后的散射光信号并将其转换为电信号，微处理器通过控制信号处理电路对接收到的电信号进行A/D转换和放大处理，同时微处理器通过控制通讯电路进行信息传输。

所述的激光器采用He-Ne激光器。

所述的探测器采用硅光电池。

光伏板清洁度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将清洁度传感器和信号处理装置装置固定在光伏板边缘，打开电源开关，为系统上电；

2)打开激光器，激光器受调制装置的控制发出脉冲激光束；

3)调制后脉冲激光束作为入射光照射到光伏板表面，并在光伏板表面发生反射、折射和散射；

4)会聚透镜将与激光束同侧的散射光会聚于透镜后焦平面上的探测器上；

5)探测器对接收到的光信号进行光电转换得到电信号；

6)微处理器通过控制信号处理电路对硅光电池输出的信号进行放大处理和AD转换计算即可得到散射光的平均光强I(v_xy)，微处理器根据公式即傅式面中心处(x＝0)的光强与偏离中心x处平均光强之比，公式可以得出表面粗糙度的准确数值

7)根据上一步测量的粗糙度值可以计算出相应的光伏板清洁度；

8)将数据通过通讯系统上传到服务器上，对数据进行分析处理。

本发明的有益效果为：本发明采用He-Ne激光器作为系统光源，它具有体积小、重量轻、机构简单、低电压直流电源供电、可靠性高、使用寿命长等优点。本发明采用硅光电池作为检测器件。硅光电池应用的波长范围400nm～1000nm，可以在很宽的波长范围内应用。而且价格便宜，转换效率高，寿命长。本发明的微处理器将模拟信号转为数字信号，经过软件编程，可以计算出光伏板清洁度，再通过通讯系统传输，对实时数据进行观测、保存、分析。本发明采用散射法，和光伏板是非接触的，具有测速快和无破坏性。本发明基于光电检测技术，还具有测量精度高、装置简单、经济实用、操作简便、抗干扰能力强，并且容易实现在线测量。

附图说明

图1为本发明的光路原理图；图中(1)为调制装置、(2)为激光器、(3)为会聚透镜、(4)为探测器。

图2为本发明的系统装置框图；

图3为散射法光路图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的光路原理图，其基本原理如下所述。首先微处理器控制调制装置(1)对He-Ne激光器(2)进行周期调制，发出脉冲激光束并记录光强I₀。激光以一定的角度下照射到光伏板表面，激光束在光伏板表面发生散射、反射以及折射。在与激光束同侧的区域里只存在散射光，另一侧同时存在反射光和散射光，而光伏板表面积灰越多，散射光越强，反射光越弱，激光同侧的散射光经过会聚透镜(3)被位于透镜后焦面上的硅光电池(4)接收，转化为电信号。因此通过检测与激光束同侧的散射光光强I(v_xy)即可得到光伏板的清洁度S_a。具体理论推导如下：

如图3所示，单色平行光经光伏板表面反射后分为两部分：一部分是镜面反射光，另一部分是各个方向均匀分布的散射光。设表面的起伏高度为z(x₀，y₀)，坐标平面x₀oy₀选在z(x₀，y₀)均值为0的地方，入射光线位于x₀oz面内，入射角为θ₀，则在傅式透镜的后焦面上光强复振幅分布为：

$U(x,y)=\frac{\mathrm{Aexp}\left(j2\mathrm{kf}\right)}{\mathrm{j\λf}}\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫\∫}{t}_0(x_0,y_0)\exp [-j\frac{k}{\mathrm{\λ}}(x{x}_0+y{y}_0)]d{x}_{0}d{y}_0---\left(1\right)$

式中，A为振幅，λ为波长，∑为照明区域，t₀(xx，y₀)为表面的复振幅透过率，x、y为傅式坐标，不考虑阴影效应和多重散射的影响时，t₀(x₀，y₀)＝exp(jk·2zcosθ₀)，其中z＝z(x₀，y₀)。

由于在照明区域∑以外t₀(x₀，y₀)＝0，因此(1)式可变为

$U(x,y)=\frac{\mathrm{Aexp}\left(j2\mathrm{kf}\right)}{\mathrm{j\λf}}\∫\∫\exp (\mathrm{jk}\·2z\cos {\mathrm{\θ}}_0)\·\exp [-j\frac{k}{\mathrm{\λ}}(x{x}_0+y{y}_0)]d{x}_{0}d{y}_0---\left(2\right)$

令v_x＝2πx/λf，v_y＝2πy/λf v_z＝2kcosθ₀，则式(2)可写成

$U(x,y)=\frac{\mathrm{Aexp}\left(j2\mathrm{kf}\right)}{\mathrm{j\λf}}\∫\∫\exp \left(j{v}_{z}z\right)\·\exp [-j(v_x{x}_0+v_y{y}_0)]d{x}_{0}d{y}_0---\left(3\right)$

由光强和复振幅的关系可知，光强I(v_x，v_y)＝<|U(v_x，v_y)|²>。

由于起伏高度z(x₀，y₀)为随机变量，因此光强分布为应取其数学期望值，根据公式EX²＝(EX)²+DX，则有

I(vx，v_y)＝<|U(v_x，v_y)|²>＝<U(v_x，v_y)><U(v_x，v_y)>^*+|U(_vxv_y)-<U(v_x，v_y)>|² (4)式中<>表示均值*表示共轭式(4)中第一项为镜面反射强度I_r，第二项为散射强度I_s。则其散射光强为

I_s＝|U(v_x，v_y)-<U(v_x，v_y)>|² (5)

由于散射光是在各个方向均匀分布的，所以各处散射光强均为I_s。

对于粗糙表面来讲，其粗糙度起伏高度z(x₀，y₀)可以认为是上半部分服从高斯分布的，此时表面起伏的一维概率密度为

$f\left(z\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{R}_q}\exp [-\frac{z^2(x_0,y_0)}{2{R_q}^2}]---\left(6\right)$

二维联合概率密度为

$f(z_1,z_2)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{R_q}^2\sqrt{1-C^2\left(\mathrm{\&tau;}\right)}}\exp \{-\frac{{z_1}^2-2C\left(\mathrm{\&tau;}\right)z_1{z}_2+{z_2}^2}{2{R_q}^2[1-C^2\left(\mathrm{\&tau;}\right)]}\}---\left(7\right)$

式中，R_q为z(x₀，y₀)的均方根，C(τ)为表面轮廓的自相关系数。

描述表面随机过程的特征函数为

$\begin{array}{c}B\left(v_z\right)=<\exp \left[j{v}_{z}z(x_0,y_0)\right]>=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}f\left(z\right)\exp \left(j{v}_{z}z\right)\\ =\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{R}_q}\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\exp \left(\frac{-z^2}{2{R_q}^2}\right)\&CenterDot;\exp \left(j{v}_{z}z\right)\mathrm{dz}\\ =\exp (-{v_z}^2{R_q}^2/2)\end{array}---\left(8\right)$

联合特征函数为

$\begin{array}{c}B(v_z,-v_z)=\&Integral;\&Integral;f(z_1,z_2)\exp \left[j{v}_z(z_1,z_2)\right]d{z}_{1}d{z}_2\\ =\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{R_q}^2\sqrt{1-C^2\left(\mathrm{\&tau;}\right)}}\&Integral;\&Integral;\exp \{-\frac{{z_1}^2-2C\left(\mathrm{\&tau;}\right)z_1{z}_2+{z_2}^2}{2{R_q}^2[1-C^2\left(\mathrm{\&tau;}\right)]}\}\&CenterDot;\exp \left[j{v}_z(z_1,z_2)\right]d{z}_{1}d{z}_2\\ =\exp \left\{(-{v_z}^2{R_q}^2)\right[1-C\left(\mathrm{\&tau;}\right)\left]\right\}\end{array}---\left(9\right)$

对于高斯表面，其自相关系统可描述为

C(τ)＝exp(-τ²/T²) (10)

式中T为相关长度。

根据式(3)、式(8)、式(9)以及式(10)，可对式(5)计算得

$\begin{array}{c}{I}_s={|U(v_x,v_y)-<U(v_x,v_y)>|}^2\\ ={\left|G\right|}^2\&Integral;\&Integral;[B_2(v_z,-v_z)-B\left(v_z\right)B^{*}\left(v_z\right)]\exp [-j(v_x\mathrm{\&Delta;}{x}_0+v_y\mathrm{\&Delta;}{y}_0)]\mathrm{d\&Delta;}{x}_0\mathrm{d\&Delta;}{y}_0\end{array}---\left(11\right)$

对上式中直角坐标系下的傅式变换式转化为极坐标系下的Hankel变换，即令

则式(11)转化为

式中，J₀(τυ_xy)为零阶Bessel函数，

将式(8～10)代入式(12)中可得

$I_s=2\mathrm{\&pi;}{\left|G\right|}^2\exp (-{v_z}^2{R_q}^2)\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{J}_0\left({\mathrm{\&tau;\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}\right)\left\{\exp \right[{v_z}^2{R_q}^2\exp (-{\mathrm{\&tau;}}^2/T^2)]-1\}\mathrm{\&tau;d\&tau;}---\left(13\right)$

上式中右端的积分仅在才有τ＝0附近区域内意义，远离τ＝0的区域内积分为0，因此可对C(τ)做近似处理，得到

C(τ)＝exp(-τ²/T²)≈1-τ²/T²

将其代入式(13)得

$I_s=\frac{\mathrm{\&pi;}{\left|G\right|}^2{T}^2}{{v_z}^2{R_q}^2}\exp (-\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2})---\left(14\right)$

系统中采用硅光电池作为光强接收元件，则感光单元上接收到的平均光强为

$\begin{array}{c}I\left(v_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{1}{\mathrm{\&Delta;x\&Delta;y}}\underset{\mathrm{\&Sigma;}}{\&Integral;\&Integral;}{I}_s\mathrm{dxdy}\&ap;\frac{1}{\mathrm{\&Delta;x\&Delta;y}}\underset{\mathrm{\&Sigma;}}{\&Integral;\&Integral;}\frac{\mathrm{\&pi;}{\left|G\right|}^2{T}^2}{{v_z}^2{R_q}^2}\exp (-\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2})\mathrm{dxdy}\\ =\frac{\mathrm{\&pi;}{\left|G\right|}^2{T}^2}{{v_z}^2{R_q}^2\mathrm{\&Delta;x\&Delta;y}}\underset{-\mathrm{\&Delta;x}/2}{\overset{\mathrm{\&Delta;x}/2}{\&Integral;}}\exp (-\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_x}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2})\mathrm{dx}\underset{-\mathrm{\&Delta;y}/2}{\overset{\mathrm{\&Delta;y}/2}{\&Integral;}}\exp (-\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_y}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2})\mathrm{dx}\\ =\frac{\mathrm{\&pi;}{\left|G\right|}^2{T}^2}{{v_z}^2{R_q}^2\mathrm{\&Delta;x\&Delta;y}}\exp (-\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2}){\{-\exp [-\frac{(\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2){\mathrm{\&pi;}}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2{\mathrm{\&lambda;}}^2{f}^2}\left]\right\}}^{1/2}\end{array}---\left(15\right)$

式中，Δx为感光单元的纵向宽度，Δy为感光单元的横向宽度。

傅式面中心处(x＝0)的光强与偏离中心x处平均光强之比为

$V\left(v_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{I\left(0\right)}{I\left(v_{\mathrm{xy}}\right)}=\exp \left(\frac{{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}}^2{T}^2}{4{v_z}^2{R_q}^2}\right)---\left(16\right)$

经整理可得

$R_q=\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}}T}{2v_z\sqrt{\frac{I\left(0\right)}{I\left(v_{\mathrm{xy}}\right)}}}=\frac{f({\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}},v_z,T)}{\sqrt{\frac{I\left(0\right)}{I\left(v_{\mathrm{xy}}\right)}}}---\left(17\right)$

式中，f(υ_xy，v_z，T)＝υ_xyT/2v_z是一个与入射角和表面相关长度的函数，v_xy，v_z是可以确定的常数。对于同一批次的光伏板，可以认为T是近似相等的。由此即可确定光伏板表面粗糙度R_q与散射光强I(v_xy)之间的关系。

根据表面粗糙度R_q和清洁度S_a之间的关系可得，

$S_a=\frac{\sqrt{\frac{I\left(0\right)}{I\left(v_{\mathrm{xy}}\right)}}}{f({\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{xy}},v_z,T)}---\left(18\right)$

根据散射测量光伏板的清洁度的基本原理，研制了该装置，并用该系统对光伏板的清洁度进行了测量分析，通过与原子显微镜的测量结果进行比较，验证了此方法的合理性。本发明的光伏板清洁度检测方法具有快速，高灵敏度，无损的特点，可以为光伏电站的光伏板清洁度提高在线测量手段，为光伏板的清洁时间提供指导。

以下为采用本发明装置针对光伏板清洁度测量的的实验记录：

实施例一：同一地点多块光伏板的清洁度一个月内的变化

1.实验方法

实验采用He-Ne激光器(波长为632.8nm)，探测器采用硅光电池，会聚透镜的数值孔径为NA＝0.45，光伏板采用多晶硅太阳能电池板17.5V/10W 1PCS，光伏板尺寸为340*290*25。用支架将固定光伏板，使得光伏板与水平面夹角为30°，距离水平面的高度为50cm，将清洁度传感器固定于光伏板侧面。连接清洁度传感器、光伏板等各部分的外围电路。

实验采用5块型号相同的光伏板，功率、型号相同的激光器，激光器发出激光束照射到光伏板的入射角为30°，测量一个月内的清洁度变化。

2.实验结果：

对同一地点5块光伏板进行测量，结果如表1所示

表1对同一地点5块光伏板一个月内的清洁度测量

实验数据表明，本发明对光伏板清洁度可以进行准确测量，测量偏差小，也表明用该装置及其方法测量光伏板清洁度具有稳定性高、重复性好的特点。

Claims (6)

1.一种光伏板清洁度检测方法，其原理是通过测量光伏板散射受调制的激光束信号的强度来检测光伏板的清洁度。具体方法是用一束激光以一定的角度照射到光伏板表面，在光伏板上形成一个狭长的椭圆光斑，椭圆光斑具有检测面积大、信号强的特性。激光束在光伏板表面发生散射和反射以及折射，在与激光束同侧的区域只存在散射光，另一侧同时存在反射光和散射光。当光伏板表面积灰越多，散射光越强，反射光越弱，测量与激光束同侧的散射光光强，通过定标计算，即可得到光伏板的清洁度。

根据可得，所述的散射光越强I(v_xy)越小则清洁度S_a越高，即光伏板表面积灰越少。

2.根据权利要求1所述的光伏板清洁度检测方法的配套装置，包括清洁度传感器和信号处理装置，所述的清洁度传感器包括激光器(2)、调制装置(1)、会聚透镜(3)以及探测器(4)，其特征在于：所述的激光器(2)受调制装置(1)的控制发出脉冲激光束，脉冲激光束照射到光伏板表面，经光伏板散射形成的散射光由会聚透镜(3)会聚于透镜后焦平面的探测器(4)上，由探测器(4)将光信号转换为电信号。

3.根据权利要求2所述的一种光伏板清洁度检测装置，其特征在于：所述的信号处理装置包括直流稳压电源、信号处理电路、微处理器以及通讯电路，所述的直流稳压电源为激光器、调制装置、信号处理电路、微处理器以及通讯电路供电；微处理器通过控制调制装置对激光器进行周期调制发出脉冲激光束，探测器接收到会聚后的散射光信号并将其转换为电信号，微处理器通过控制信号处理电路对接收到的电信号进行A/D转换和放大处理，同时微处理器通过控制通讯电路进行信息传输。

4.根据权利要求2所述一种光伏板清洁度检测装置，其特征在于：所述的激光器是He-Ne激光器。

5.根据权利要求2所述一种光伏板清洁度检测装置，其特征在于：所述的探测器是硅光电池。

6.根据权利要求1、2所述的一种光伏板清洁度的检测方法及装置，其特征在于：所述的检测清洁度的方法包括以下步骤：

1)激光器受调制装置的控制发出脉冲激光束；

2)调制后的入射光照射到光伏板表面，入射光在光伏板表面发生反射、折射、散射，在于激光束同侧的区域只存在散射光；

3)会聚透镜将与激光束同侧的散射光会聚于透镜后焦平面上的探测器上；

4)探测器对接收到的光信号进行光电转换得到电信号；

5)微处理器通过控制信号处理电路对接收到的电信号进行A/D转换和放大处理，并得到相应的电信号的强度。

6)根据电信号的强度得到相应的光伏板清洁度。