CN111624207A - 利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法 - Google Patents

利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法，系统包括一台发射机、一台接收机及控制设备；发射机由发射无人机搭载激光红外光源构成，接收机由接收无人机搭载激光红外光功率采集设备；激光红外光源发出的光经待测光伏板表面反射后与激光红外光功率采集设备的镜头对准；控制设备对两台无人机的飞行位置进行控制，并进行发射光源和接收光能控制，控制设备与两台无人机采用无线wifi进行通讯。本发明可准确识别出光伏板上的覆灰情况。

Description

利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法
技术领域
本发明属于光伏发电辅助设备技术领域，具体涉及一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法。
背景技术
光伏板是光伏发电站中数量最多的设备。由于附灰遮挡太阳光影响发电效率，需要对光伏板定期清洗。光伏板的附覆灰度受到光伏板的安装位置和光伏发电站周边情况影响，覆灰程度不相同，若按相同周期对全站光伏板进行清洗会造成资源浪费。
目前，还没有对光伏板的覆灰程度进行检测的专门设备和方法，光伏板上的覆灰程度一般通过肉眼观察来进行判读，准确率不高，或者在晴朗天气状况下，通过光伏板的发电效率间接来判断光伏板的覆灰情况，但由于光伏板的发电还会受到一些其他因素的影响，因此，准确率也不高。
目前，针对光伏板的覆灰问题进行了专利检索，查询到的大部分专利主要是针对光伏板覆灰的清理装置，比如申请号为：201920866088.3，名称为：一种用于汽车停车棚上太阳能光伏板清理灰尘装置的实用新型专利；申请号为：201920973056.3，名称为：一种拥有自清洁功能的太阳能光伏板的实用新型专利；申请号为：201920283960.1，名称为：一种环保型太阳能光伏板清理装置的实用新型专利；申请号为：201610341383.8，名称为：光伏板自动清洗装置的发明专利。而对于覆灰程度的评价方法及装置，在现有专利材料中并未查询到。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可准确识别出光伏板上的覆灰情况，从而便于根据不同的覆灰程度来制定差别化得清洗策略，以达到降低成本目的利用单无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：
一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：
包括一台发射机、一台接收机及控制设备；所述发射机由发射无人机搭载激光红外光源构成，激光红外光源的光束发射方向可在水平和垂直两个自由度上旋转；所述接收机由接收无人机搭载激光红外光功率采集设备；激光红外光功率采集设备的镜头方向在水平和垂直两个自由度上旋转；激光红外光源发出的光经待测光伏板表面反射后与激光红外光功率采集设备的镜头对准；所述控制设备对两台无人机的飞行位置进行控制，并进行发射光源和接收光能控制，控制设备与两台无人机采用无线wifi进行通讯。
进一步的：发射无人机和接收无人机均采用大疆无人机。
进一步的：所述控制设备采用个人便携式电脑，内部安装有python运行环境；飞控接口采用Onboard-SDK-ROS，通过Python web访问两台无人机的web服务，获得光功率数据。
进一步的：所述激光红外光源采用激光模组，功率为100mw；光源模组安装在云台上，云台吊装在无人机上。
进一步的：激光红外光功率采集设备采用Ophir激光功率计，激光功率计安装在云台上，云台吊装在无人机上；激光功率计通过USB与RaspberryPi4B连接，RaspberryPi4B通过wifi与控制设备连接；RaspberryPi4B上安装Python运行环境，并安装Python web框架服务。
一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的方法，其特征在于：基于上述的系统，步骤为：
S1通过人机接口输入本方法需要的光伏板与无人机的相关参数，相关参数包括：
H：光伏板支柱的高度；Hh：光伏板上沿高度；Hl；α：光伏板与水平面的夹角；发射机的光发射功率Wfs；
S2发射无人机定位，并由激光红外光源发射光照射到光伏板上，产生反射光；
S3接收无人机定位，并使激光红外光功率采集设备的镜头对准反射光束方向，测定接收功率Wjs；
S4由发射功率和测定的接收功率计算散失功率Wss＝Wfs-Wjs，由散失功率的大小来评估光伏板的覆灰程度，散失功率越大，覆灰越厚。
进一步的：S2包括：
S21发射机定位计算：
根据光的反射定律，在三维空间中接收机的定位坐标表示为ZBjs，见表达式(1)，
ZBjs＝f(ZBfs，cs) (1)
其中，ZBfs为发射机坐标，cs为参数集；
令光线反射平面在光伏板的投影为一直线，且与光伏板上下边缘垂直，建立坐标系，以光伏板支柱和光伏板交点作为坐标原点，其绝对坐标可通过GPS确定：
xfs为发射机在该坐标系下的横坐标，在满足飞行稳定条件下，由用户按需求设定；yfs发射机在该坐标系下的纵坐标，在满足飞行稳定条件下，在yfs大于Hl，yfs小于Hh范围内，由用户按需求设定。
S2激光红外光发射方向选取：
通过发射无人机云台控制，保证发射机发射的激光红外光在垂直于光伏板和垂直于地面的空间范围内，用β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，由用户在需要范围内设定，确保激光红外光可照射到光伏板上。
进一步的：S3包括：
S31接收机定位计算：
接收机的坐标为(xjs，yjs)，xjs为横坐标，yjs为纵坐标；其中yjs在满足飞行稳定条件下，在yjs大于Hh范围内，由用户按需求设定；
xjs：计算过程如下
入射光线方程为式(2)：
y＝tan(β)*x+(yfs-tan(β)*xfs) (2)
其中tan为正切函数，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，yfs，xfs为发射无人机横纵坐标。
光伏板所在直线方程为式(3)：
y＝tan(180-α)*x (3)
其中：α为光伏板与水平面夹角；
入射光线与光伏板交点坐标为式(4)：
Figure BDA0002508011230000041
Figure BDA0002508011230000042
反射光线与横坐标的夹角为180-2α-β；
反射光线方程为式(5)
y＝tan(180-2α-β)*x+Y0-tan(180-2α-β)*X0 (5)
其中：α为光伏板与水平面夹角，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，X0，Y0为入射光线与光伏板交点坐标；
反射光线与y＝yjs的交点即为接收机的坐标(xjs，yjs)，xjs表达式为式(6)
Figure BDA0002508011230000043
S32镜头方向计算：
接收机镜头与水平面的夹角为：180-2α-β。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明系统通过发射无人机搭载激光红外光源实现定位光发射，通过接收无人机搭载激光红外光功率采集设备实现定位光采集，通过控制设备对无人机进行飞行定位控制，并通过控制设备进行光散失功率的计算。具有易于实现，系统构成简单的优点。
2、本发明方法通过发射光功率与测定的光接收功率的差分运算来获得散失功率，因散失功率与覆灰的厚度正相关，因此可用Wss评估光伏板的覆灰程度，具有评估准确性高特点，排除了其他因素对评估结果的影响。
附图说明
图1是本发明系统构成示意图；
图2是本发明数据流图；
图3是本发明无人机定位计算方法参考图；
图4是光能力守恒原理图；
图5是本发明全站覆灰程度评估流程图。
具体实施方式
下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，请参见图1，其发明点为：
包括一台发射机、一台接收机及控制设备。所述发射机由发射无人机5搭载激光红外光源6构成，激光红外光源的光束发射方向可在水平和垂直两个自由度上旋转。所述接收机由接收无人机3搭载激光红外光功率采集设备4；激光红外光功率采集设备的镜头方向在水平和垂直两个自由度上旋转。激光红外光源发出的光经待测光伏板表面反射后与激光红外光功率采集设备的镜头对准。所述控制设备7对两台无人机的飞行位置进行控制，并进行发射光源和接收光能控制，控制设备与两台无人机采用无线wifi进行通讯。
上述系统中，进一步的：发射无人机和接收无人机均优选采用大疆无人机，也可采用其他品牌的无人多旋翼飞行器。
上述系统中，进一步的：所述控制设备采用个人便携式电脑，内部安装有python运行环境；飞控接口采用Onboard-SDK-ROS，通过Python web访问两台无人机的web服务，获得光功率数据。
上述系统中，进一步的：所述激光红外光源采用激光模组，功率为100mw；光源模组安装在云台上，云台吊装在无人机上。
上述系统中，进一步的：激光红外光功率采集设备采用Ophir激光功率计，激光功率计安装在云台上，云台吊装在无人机上；激光功率计通过USB与RaspberryPi4B连接，RaspberryPi4B通过wifi与控制设备连接；RaspberryPi4B上安装Python运行环境，并安装Python web框架服务。
一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的方法，参见图2-5，基于上述的系统，步骤为：
S1通过控制设备的人机接口输入光伏板2与无人机的相关参数，相关参数包括：
H：光伏板支柱1的高度；Hh：光伏板上沿高度；Hl：光伏板下沿高度；α：光伏板与水平面的夹角；发射机的光发射功率Wfs；
S2发射无人机定位，并由激光红外光源发射光照射到光伏板上，产生反射光；包括如下子步骤：
S21发射机定位计算：
根据光的反射定律，接收机的坐标总表示为ZBjs，见表达式(1)，
ZBjs＝f(ZBfs，cs) (1)
其中，ZBfs为发射机坐标，cs为参数集；
为简化对本方法的叙述，设定光线平面在光伏板的投影为一直线，且与光伏板上下边缘垂直，建立坐标系，以光伏板支柱和光伏板交点作为坐标原点，其绝对坐标可通过GPS确定：
xfs为发射机在该坐标系下的横坐标，在满足飞行稳定条件下，由用户按需求设定；yfs发射机在该坐标系下的纵坐标，在满足飞行稳定条件下，在yfs大于Hl，yfs小于Hh范围内，由用户按需求设定，由用户按需求设定。
S2激光红外光发射方向选取：
通过发射无人机云台控制，保证发射机发射的激光红外光在垂直于光伏板和垂直于地面的空间范围内，用β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，由用户在需要范围内设定，确保激光红外光可照射到光伏板上。
S3接收无人机定位，并使激光红外光功率采集设备的镜头对准反射光束方向，测定接收功率Wjs；包括如下子步骤：
S31接收机定位计算：
接收机的坐标为(xjs，yjs)，xjs为横坐标，yjs为纵坐标，其中yjs在满足飞行稳定条件下，在yjs大于Hh范围内，由用户按需求设定；
xjs：计算过程如下
入射光线方程为式(2)：
y＝tan(β)*x+(yfs-tan(β)*xfs) (2)
其中tan为正切函数，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，yfs，xfs为发射无人机横纵坐标。
光伏板所在直线方程为式(3)：
y＝tan(180-α)*x (3)
其中：α为光伏板与水平面夹角；
入射光线与光伏板交点坐标为式(4)：
Figure BDA0002508011230000071
Figure BDA0002508011230000072
反射光线与横坐标的夹角为180-2α-β；
反射光线方程为式(5)
y＝tan(180-2α-β)*x+Y0-tan(180-2α-β)*X0 (5)
其中：α为光伏板与水平面夹角，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，X0，Y0为入射光线与光伏板交点坐标；
反射光线与y＝yjs的交点即为接收机的坐标(xjs，yjs)，xjs表达式为式(6)
Figure BDA0002508011230000073
S32镜头方向计算：
接收机镜头与水平面的夹角为：180-2α-β。
S4由发射功率和测定的接收功率计算散失功率Wss＝Wfs-Wjs，由散失功率的大小来评估光伏板的覆灰程度，因散失功率Wss与覆灰的厚度正相关，因此可用Wss评估光伏板的覆灰程度。
光伏发电站覆灰程度评估流程图如图5所示，多次定位无人机，多次测量不同点位的散失功率，散失功率越大的光伏板更需要清理，可依据测量数据制定差异化的清洗策略，降低成本。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：包括一台发射机、一台接收机及控制设备；所述发射机由发射无人机搭载激光红外光源构成，激光红外光源的光束发射方向可在水平和垂直两个自由度上旋转；所述接收机由接收无人机搭载激光红外光功率采集设备；激光红外光功率采集设备的镜头方向在水平和垂直两个自由度上旋转；激光红外光源发出的光经待测光伏板表面反射后与激光红外光功率采集设备的镜头对准；所述控制设备对两台无人机的飞行位置进行控制，并进行发射光源和接收光能控制，控制设备与两台无人机采用无线wifi进行通讯。
2.根据权利要求1所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：发射无人机和接收无人机均采用大疆无人机。
3.根据权利要求2所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：所述控制设备采用个人便携式电脑，内部安装有python运行环境；飞控接口采用Onboard-SDK-ROS，通过Python web访问两台无人机的web服务，获得光功率数据。
4.根据权利要求1所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：所述激光红外光源采用激光模组，功率为100mw；光源模组安装在云台上，云台吊装在无人机上。
5.根据权利要求1所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，其特征在于：激光红外光功率采集设备采用Ophir激光功率计，激光功率计安装在云台上，云台吊装在无人机上；激光功率计通过USB与RaspberryPi4B连接，RaspberryPi4B通过wifi与控制设备连接；RaspberryPi4B上安装Python运行环境，并安装Python web框架服务。
6.一种利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的方法，其特征在于：基于权利要求1所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的系统，步骤为：
S1通过人机接口输入本方法需要的光伏板与无人机的相关参数，相关参数包括：
H：光伏板支柱的高度；Hh：光伏板上沿高度；Hl；α：光伏板与水平面的夹角；发射机的光发射功率Wfs；
S2发射无人机定位，并由激光红外光源发射光照射到光伏板上，产生反射光；
S3接收无人机定位，并使激光红外光功率采集设备的镜头对准反射光束方向，测定接收功率Wjs；
S4由发射功率和测定的接收功率计算散失功率Wss＝Wfs-Wjs，由散失功率的大小来评估光伏板的覆灰程度，散失功率越大，覆灰越厚。
7.根据权利要求6所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的方法，其特征在于，S2包括：
S21发射机定位计算：
根据光的反射定律，在三维空间中接收机的定位坐标表示为ZBjs，见表达式(1)，
ZBjs＝f(ZBfs，cs) (1)
其中，ZBfs为发射机坐标，cs为参数集；
令光线反射平面在光伏板的投影为一直线，且与光伏板上下边缘垂直，建立坐标系，以光伏板支柱和光伏板交点作为坐标原点，其绝对坐标可通过GPS确定：
xfs为发射机在该坐标系下的横坐标，在满足飞行稳定条件下，由用户按需求设定；yfs发射机在该坐标系下的纵坐标，在满足飞行稳定条件下，在yfs大于Hl，yfs小于Hh范围内，由用户按需求设定；
S2激光红外光发射方向选取：
通过发射无人机云台控制，保证发射机发射的激光红外光在垂直于光伏板和垂直于地面的空间范围内，用β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，由用户在需要范围内设定，确保激光红外光可照射到光伏板上。
8.根据权利要求6所述的利用双无人机测定光伏发电站光伏板覆灰程度的方法，其特征在于，S3包括：
S31接收机定位计算：
接收机的坐标为(xjs，yjs)，xjs为横坐标，yjs为纵坐标；其中yjs在满足飞行稳定条件下，在yjs大于Hh范围内，由用户按需求设定；
xjs：计算过程如下
入射光线方程为式(2)：
y＝tan(β)*x+(yfs-tan(β)*xfs) (2)
其中tan为正切函数，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，yfs，xfs为发射无人机横纵坐标；
光伏板所在直线方程为式(3)：
y＝tan(180-α)*x (3)
其中：α为光伏板与水平面夹角；
入射光线与光伏板交点坐标为式(4)：
Figure FDA0002508011220000031
Figure FDA0002508011220000032
反射光线与横坐标的夹角为180-2α-β；
反射光线方程为式(5)
y＝tan(180-2α-β)*x+Y0-tan(180-2α-β)*X0 (5)
其中：α为光伏板与水平面夹角，β表示激光红外光的发射方向与水平面的夹角，X0，Y0为入射光线与光伏板交点坐标；
反射光线与y＝yjs的交点即为接收机的坐标(xjs，yjs)，xjs表达式为式(6)
Figure FDA0002508011220000041
S32镜头方向计算：
接收机镜头与水平面的夹角为：180-2α-β。
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