DE112010004353T5

DE112010004353T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnostik von flachen Solarzellenplatten am Einsatzort

Info

Publication number: DE112010004353T5
Application number: DE112010004353T
Authority: DE
Inventors: Theodore Gerard van Kessel; Supratik Guha; Yves C. Martin; Robert L. Sandstrom
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: DE112010004353B4; US8373758B2; CN102597722B; WO2011059635A1; TWI493173B; TW201128181A; CN102597722A; GB2487881A; GB2487881B; US20110109740A1; GB201209027D0

Abstract

Es werden Techniken zum Analysieren der Leistungsfähigkeit von Solarzellenplatten und/oder Solarzellen bereitgestellt. In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte. Das Infrarotwärmebild wird in Temperaturdaten umgewandelt. Einzelne Elemente werden in dem Infrarotwärmebild isoliert. Die Temperaturdaten werden für jedes isolierte Element tabellarisch angeordnet. Auf der Grundlage von den tabellarisch angeordneten Temperaturdaten wird ein Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements ermittelttten und/oder Solarzellen gehören. In einem anderen Aspekt wird ein Infrarotdiagnostiksystem bereitgestellt. Das Infrarotdiagnostiksystem enthält eine Infrarotkamera, die aus der Ferne relativ zu einem oder mehreren abzubildenden Elementen angeordnet werden kann; sowie einen Computer, der so konfiguriert ist, dass er über eine Datenübertragungsverbindung von der Infrarotkamera Wärmebilder empfängt und die Wärmebilder analysiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Solartechnik und insbesondere Techniken zum Analysieren der Leistungsfähigkeit von Solarzellenplatten und/oder Solarzellen.
Hintergrund der Erfindung
Solar-Fotovoltaik-Anlagen belegen große Flächen und bestehen aus vielen einzelnen Solarzellenplatten. Eine 10-Megawatt-(10-MW-)Anlage kann zum Beispiel 50.000 einzelne Platten enthalten. Jede Platte beinhaltet viele einzelne miteinander verdrahtete Solarzellen. Platten werden verdrahtet, damit der Betrieb bei Auftreten von einzelnen Zellausfällen aufrechterhalten werden kann. Solaranlagen sind ferner verdrahtet, um es Plattengruppen zu ermöglichen, den Betrieb bei Auftreten von einzelnen Plattenausfällen aufrechtzuerhalten.
Deshalb wären für ein derartiges fehlertolerantes Verdrahtungssystem Techniken zum Erkennen von Fehlern auf Zellen- und Plattenebene wünschenswert, zum Beispiel zum Planen der Wartung und zum Austauschen fehlerhafter Komponenten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Techniken zum Analysieren der Leistungsfähigkeit von Solarzellenplatten und/oder Solarzellen bereit. In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Analysieren eines mit einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte. Das Infrarotwärmebild wird in Temperaturdaten umgewandelt. Einzelne Elemente werden in dem Infrarotwärmebild isoliert. Die Temperaturdaten werden für jedes isolierte Element tabellarisch angeordnet. Auf der Grundlage von den tabellarisch angeordneten Temperaturdaten wird ein Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements ermittelt. Zu den einzelnen Elementen können Solarzellenplatten und/oder Solarzellen gehören.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Infrarotdiagnostiksystem bereitgestellt. Das Infrarotdiagnostiksystem enthält eine Infrarotkamera, die relativ zu einem oder mehreren abzubildenden Elementen entfernt angeordnet werden kann; sowie einen Computer, der so konfiguriert ist, dass er über eine Datenübertragungsverbindung von der Infrarotkamera Wärmebilder empfängt und die Wärmebilder analysiert.
Man erhält ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und erfährt weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Schaubild, das ein beispielhaftes Infrarotdiagnostiksystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 zeigt ein Schaubild, das eine mechanische Halterung für eine Infrarotkamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die eine Fernpositionierungsfunktion wie eine Schwenk- und Neigefunktion sowie eine Objektivfernbedienung wie ein fernbedienbares Abbildungs-Zoom-Objektiv aufweist;
3 zeigt ein Bild einer flachen Solarzellenplatte, die eine absichtlich deaktivierte Reihe von Zellen enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein Infrarotwärmebild der flachen Solarzellenplatte aus 3 im Betrieb, das unter Verwendung des Infrarotdiagnostiksystems aus 1 aufgenommen wurde, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt ein Diagramm, das veranschaulicht, wie eine Amplitudendarstellung zum Analysieren eines Bereichs in einem Infrarotbild, der von Interesse ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
6 zeigt einen Ablaufplan, der eine beispielhafte Methodik zum Analysieren eines Infrarotwärmebildes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 zeigt ein Schaubild, das eine an einem Bodenfahrzeug angebrachte Infrarotkamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8 zeigt ein Schaubild, das eine an einem Luftfahrzeug angebrachte Infrarotkamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
9 zeigt ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Vorrichtung zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Hierin werden Techniken zum Prüfen von Solarzellenplatten und/oder Solarzellen im praktischen Einsatz ohne Unterbrechung des Betriebs beschrieben. Die vorliegenden Techniken beruhen auf der hierin getätigten Beobachtung, dass eine funktionierende Platte und/oder Zelle einen Teil einer aufgenommenen Strahlungswärmelast als elektrische Leistung (die z. B. in ein Stromnetz eingespeist wird) ableitet, während eine nicht funktionierende Platte und/oder Zelle eine aufgenommene Strahlungswärmelast vollständig als Wärme abführen muss. Deshalb ist eine funktionierende Platte bzw. Zelle um mehrere Grad kühler als eine entsprechende nicht funktionierende Platte bzw. Zelle.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Techniken wird ein Infrarotdiagnostiksystem bereitgestellt, das eine Infrarotkamera und ein Datenverarbeitungssystem zum Beobachten von räumlichen Temperaturschwankungen auf einzelnen Platten aus der Ferne aufweist, um Betriebsbedingungen der einzelnen Platten und der Zellen, aus denen die einzelnen Platten bestehen, zu ermitteln. Insbesondere handelt es sich bei 1 um ein Schaubild, das ein beispielhaftes Infrarotdiagnostiksystem 100 veranschaulicht. Das Infrarotdiagnostiksystem 100 enthält eine Infrarotkamera 101 und einen Computer 102, die so konfiguriert sind, dass sie über eine Datenübertragungsverbindung 103 miteinander Daten austauschen. Wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird, kann die Infrarotkamera 101 aus der Ferne relativ zu einem oder mehreren abzubildenden Elementen (z. B. Solarzellenplatten und/oder Solarzellen) positioniert werden, zum Beispiel durch fernsteuerbare Schwenk-/Neigefunktionen und/oder durch ein fernsteuerbares bewegliches Fahrzeug und/oder eine Plattform, an der die Infrarotkamera 101 angebracht ist.
Wie in 1 gezeigt wird die Infrarotkamera 101 während einer beispielhaften Durchführung eines (nachfolgend näher beschriebenen) Bildnahmeprozesses so ausgerichtet, dass sie eine Solarzellenplatte 100 abbildet und die (Wärme-) Bilddaten über die Datenübertragungsverbindung 103 an den Computer 102 überträgt. Der Computer 102 kann in einer Vorrichtung wie der Vorrichtung 900 ausgeführt sein, die nachfolgend in Zusammenhang mit der Beschreibung von 9 beschrieben wird. In 1 ist in dem Wärmebild 104 der Solarzellenplatte 100 eine defekte Zelle als deutlich erkennbarer warmer Bereich 105 veranschaulicht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die Infrarotkamera 101 eine Pixelauflösung von mindestens etwa 240 Pixel mal 320 Pixel, eine Wärmegenauigkeit von zwei Grad Celsius bzw. zwei Prozent (%), eine Wärmeempfindlichkeit von weniger als etwa 0,1 Grad Celsius und bei batteriebetriebenen Anwendungen einen Leistungsbedarf im Betrieb von etwa 25 Watt (W) auf.
Die Datenübertragungsverbindung 103 kann jede beliebige geeignete Verbindung beinhalten, die den Austausch von Steuer- und Bilddaten zwischen der Infrarotkamera 101 und dem Computer 102 zulässt. Lediglich beispielhaft kann es sich bei der Datenübertragungsverbindung 103 um eine drahtgebundene oder drahtlose Datenübertragungsverbindung handeln. Deshalb kann der Datenaustausch zwischen der Infrarotkamera 101 und dem Computer 102 lediglich beispielhaft drahtlos stattfinden, wenn die Infrarotkamera 101 an einem beweglichen Fahrzeug angebracht ist. Folglich muss der Computer 102 in diesem Beispiel nicht gemeinsam mit der Infrarotkamera 101 auf dem beweglichen Fahrzeug angeordnet sein.
Wie oben dargelegt bestehen Solar-Fotovoltaik-Anlagen aus vielen einzelnen Solarzellenplatten, wobei jede Solarzellenplatte viele einzelne miteinander verdrahtete Solarzellen enthält. Die Infrarotkamera 101 wird relativ zu der Solarzellenplatte 100 positioniert, so dass ein oder mehrere Bereiche von Interesse durch die Infrarotkamera 101 abgebildet werden können. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform beinhalten dieser Bereich bzw. diese Bereiche von Interesse eine Fläche von einer oder mehreren Zellen und erstrecken sich auf Flächen, die gemäß der durchgeführten Messung viele Platten enthalten.
Die Positionierung der Infrarotkamera 101 relativ zu der Solarzellenplatte 100 kann auf eine beliebige von verschiedenen Weisen erreicht werden. Lediglich beispielhaft kann die Infrarotkamera 101 vor die Solarzellenplatte 100 gehalten/platziert werden, indem sie an einem Ständer oder anderen mechanischen Träger mit Positionierungsfunktion (wie Schwenk- und Neigefunktion) angebracht oder in einem Boden- bzw. Luftfahrzeug, das eine Neupositionierung durch ein direktes oder ein Fernmittel gestattet, platziert wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Infrarotkamera 101 zum Beispiel mit einem Zoom-Objektiv ausgestattet und dauerhaft an einer unbeweglichen mechanischen Halterung, d. h. einem Trägerpfosten, befestigt. Die Infrarotkamera 101 weist vorzugsweise eine Fernschwenk- und Neigefunktion auf (siehe zum Beispiel nachfolgend beschriebene 2). Die Kamera, das Objektiv und die Positionierungseinheiten können fernbedient werden, um eine Abbildung des gewünschten Bereichs bzw. der gewünschten Bereiche der Solarzellenplatte 100 zu ermöglichen. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die Infrarotkamera an einem Bodenfahrzeug angebracht, das in der Lage ist, die Kamera aus der Ferne relativ zu den Solarzellenplatten zu positionieren, um den gewünschten Teil einer Solarzellenanlage zu beobachten (siehe zum Beispiel nachfolgend beschriebene 7). In diesem Beispiel werden Fernschwenk- und Neigefunktionen bevorzugt (siehe unten). In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die Infrarotkamera an einem Luftfahrzeug angebracht, das in der Lage ist, die Kamera aus der Ferne relativ zu den Solarzellenplatten zu positionieren, um den gewünschten Teil einer Solarzellenanlage zu beobachten (siehe zum Beispiel nachfolgend beschriebene 8). In diesem Beispiel werden Fernschwenk- und Neigefunktionen bevorzugt (siehe unten).
2 zeigt ein Schaubild, das eine mechanische Halterung 200 für eine Infrarotkamera 201 veranschaulicht, die eine Fernpositionierungsfunktion wie eine Schwenkfunktion (Drehung in horizontaler Ebene) und Neigefunktion (Drehung in einer vertikalen Ebene) sowie eine Objektivfernbedienung und Ferneinstellungsfunktionen wie ein fernbedienbares Abbildungs-Zoom-Objektiv aufweist. Das Fernbedienen der Positionierung der mechanischen Halterung 200 wird durch ein oder mehrere (nicht gezeigte) Antriebselemente, z. B. elektrische Stellantriebe, in einem Steuermodul 202 vorgenommen. Das Steuermodul 202 kann drahtlos über an die Antenne 202a übermittelte Signale gesteuert werden. Das drahtlose Fernbedienen von Antriebselementen im Allgemeinen ist den Fachleuten bekannt, und deshalb wird dieser Aspekt hierin nicht weiter beschrieben.
Wie oben beschrieben wird hierin beobachtet, dass eine funktionierende Solarzellenplatte und/oder Zelle einen Teil der aufgenommenen Strahlungswärmelast als elektrische Leistung ableitet. Die funktionierende Solarzellenplatte bzw. Zelle ist im Vergleich zu einer nicht funktionierenden Zelle, die ihre aufgenommene Strahlungsleistung vollständig als Wärme abführen muss, um mehrere Grad kühler.
3 zeigt ein Bild einer flachen Solarzellenplatte 300, die eine absichtlich deaktivierte Reihe von Zellen enthält, deren Position auf dem sichtbaren Bild durch den Bereich 301 gekennzeichnet ist. Die Solarzellenplatte 300 wird zur Veranschaulichung der vorliegenden Technik verwendet.
4 zeigt ein Infrarotwärmebild 400 der flachen Solarzellenplatte 300 (aus 3) im Betrieb, das unter Verwendung des Infrarotdiagnostiksystems 100 (aus 1) aufgenommen (erfasst) wurde. Die deaktivierte Reihe von Zellen in dem Bereich 301 ist in dem Wärmebild 400 sichtbar. Zusätzlich zu der deaktivierten Reihe ist das Wärmebild einer defekten Zelle 402, die bei einer hohen Temperatur arbeitet, in dem Wärmebild 400 gezeigt. Diese „heiße Zelle” wird durch den Ausfall der Reihe sichtbarer gemacht, da benachbarte Bereiche wärmer sind und keinen Leitungsweg für das Ableiten der Wärme bieten.
5 zeigt ein Diagramm, das veranschaulicht, wie eine Amplitudendarstellung zum Analysieren eines Bereichs in einem Infrarotbild, der von Interesse ist, verwendet werden kann. Insbesondere ist in 5 eine Amplitudendarstellung 510 eines Bereichs von Interesse 504 in dem Infrarotwärmebild 400 (aus 4) einer Solarzellenplatte enthalten. In der grafischen Darstellung 510 kann ein Temperaturwert 501 funktionierender Zellen mit einem Temperaturwert 502 von Zellen in der nicht funktionierenden Reihe und mit einem Temperaturwert 503 der ausgefallenen Zelle verglichen werden. Die grafische Darstellung 510 zeigt klar, dass bezogen auf das Rauschen in dem Signal und andere Bildmerkmale ein Amplitudenunterschied von drei bis vier Grad klar erkennbar ist. Diese Amplitude (Temperaturunterschied) zwischen einer bestimmten Zelle bzw. Platte und einer benachbarten Zelle bzw. Platte gestattet die Schlussfolgerung, dass die Zelle bzw. Platte ausgefallen ist.
Sobald ein Infrarotwärmebild wie oben beschrieben erfasst wurde, kann die Analyse der abgebildete(n) Platte(n) auf verschiedene Arten durchgeführt werden. 6 zeigt einen Ablaufplan, der eine beispielhafte Methodik 600 zum Analysieren eines Infrarotwärmebildes unter Verwendung zum Beispiel des Infrarotdiagnostiksystems 100 aus 1 veranschaulicht. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf ein Beispiel, in dem das aufgenommene Infrarotwärmebild eine Gruppe von Solarzellenplatten zeigt. Dieselbe Analyse ist jedoch auf Infrarotwärmebilder in diversen anderen Maßstäben anwendbar, z. B. auf Infrarotwärmebilder von einzelnen Platten und/oder einzelnen Zellen in einer oder mehreren Platten (siehe unten).
In Schritt 602 wird das Infrarotwärmebild der Platten von der Infrarotkamera (d. h. der Infrarotkamera 101) an den Computer (d. h. den Computer 102) übertragen. Wie oben dargelegt, kann der Computer in einer Vorrichtung wie der Vorrichtung 900 ausgeführt sein, die nachfolgend in Zusammenhang mit der Beschreibung von 9 beschrieben wird. Der Begriff „Infrarotwärmebild”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein aus Temperaturdaten bestehendes Bild, wobei ein Pixelwert in dem Bild die Temperatur an einem physischen Punkt im Raum darstellt, der auf das Sensorelement der Infrarotkamera abgebildet wird.
Sobald das Infrarotwärmebild von dem Computer empfangen wurde, wird das Infrarotwärmebild in Schritt 604 in Temperaturdaten umgewandelt (falls es noch nicht durch die Infrarotkamera umgewandelt wurde, siehe unten). Diese Umwandlung kann durch das Anwenden einer mathematischen Formel durchgeführt werden, welche die Rohdaten des Sensorelements (der Infrarotkamera) in Watt unter Verwendung eines bekannten Strahlungsvermögenswerts mit einem Wärmewert verknüpft. Alternativ kann das Infrarotwärmebild anstatt durch Verwendung des Computers optional auch durch die Infrarotkamera selbst in Temperaturdaten umgewandelt werden. Wie nachstehend ausführlich beschrieben wird, werden die Temperaturdaten zum Analysieren der Leistungsfähigkeit des/der betreffenden Platte(n) verwendet. Die hierin dargestellte Analyse beinhaltet die systematische Anwendung von Datenaufbereitungs- und -analyseverfahren zum Entnehmen der gewünschten Diagnostikdaten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden aus den Infrarot-Wärme-Rohbildern Daten entnommen, welche die Leistungsfähigkeit einer Gruppe von Solarzellenplatten, die Leistungsfähigkeit einzelner Solarzellenplatten und/oder die Leistungsfähigkeit einzelner Solarzellen in einer Platte betreffen.
In Schritt 606 werden einzelne Platten in dem Infrarotwärmebild unter Berücksichtigung von Faktoren wie Grundmaße und Ausrichtung der Platte, Abmessungen und Ausrichtung der Zellen isoliert, d. h. identifiziert und begrenzt (siehe unten). Diese isolierten Platten in dem Infrarotwärmebild können hierin allgemein auch als „Elemente” bezeichnet werden, um allgemein einen Bezug auf Platten und Zellen zu beinhalten (siehe unten), d. h., die Elemente sind Wärmebilder einer oder mehrerer Solarplatten und/oder einer oder mehrerer Solarzellen. Schritt 606 kann manuell oder automatisiert (d. h. durch den Computer) durchgeführt werden. Insbesondere werden in dem einfachsten Fall Bereiche des Platten bzw. Zellen entsprechenden Wärmebildes in dem Bild manuell identifiziert (bzw. erkannt, bzw. gekennzeichnet), indem an Eckpunkten von rechteckigen Bildbereichen ein Positionsanzeiger platziert wird. Alternativ kann dieser Schritt unter Verwendung von Fleckfindungstechniken (blob finding techniques) mit Einschränkungen bzw. Autokorrelationstechniken mit Einschränkungen automatisiert (d. h. durch den Computer durchgeführt) werden. Diese Techniken und ihre Umsetzung sind den Fachleuten bekannt und werden deshalb hierin nicht weiter beschrieben. Das Strahlungsvermögen, der Wärmewiderstand, die Umgebungstemperatur, die Windgeschwindigkeit und die Sonneneinstrahlung können ebenfalls als Eingangsgrößen in die Analyse eingegeben werden. Das Strahlungsvermögen ist eine Kenngröße der von einem bestimmten Objekt ausgestrahlten Energie im Vergleich zu der von einem schwarzen Körper mit derselben Temperatur ausgestrahlten Energie. Das Strahlungsvermögen wird normalerweise als Verhältnis dieser beiden Energiewerte ausgedrückt. Die Sonneneinstrahlung bezieht sich auf die Menge von Sonnenenergie, die pro Zeiteinheit auf einer Fläche vorliegt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Infrarotwärmebild zunächst bearbeitet, um rechteckige Merkmale (d. h. rechteckige Bereiche des Infrarotwärmebildes, die einzelnen Elementen (Platten und/oder Zellen) entsprechen) und einzelne Plattengrenzen darin zu identifizieren. Zusätzlich können einzelne Zellen in den Platten identifiziert werden, wenn die Analyse auf Zellenebene durchzuführen ist (siehe unten). Rechteckige Bereiche können unter Verwendung von auf Computern beruhenden Techniken isoliert werden, die den Fachleuten auf dem Gebiet der Bildbearbeitung bekannt sind. Diese Bildbearbeitungstechniken beinhalten Korrelations- und Hough-Transformationen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Kanten von Platten oder Zellen können durch Filterung mit endlicher Impulsantwort und ähnliche Verfahren zur Vereinfachung der Isolierung von Kanten und rechteckigen Bereichen in dem Wärmebild verbessert werden. In Fällen, in denen die Platten bzw. Zellen unter einem Winkel betrachtet werden, kann die relative Winkelausrichtung einer Platte durch Kantenwinkel ermittelt werden. Die Wärmebilddaten können dann unter Verwendung von Verdrehungstechniken (warp techniques) erneut abgetastet werden, um ein Bild bereitzustellen, das rechtwinklig erscheint (rechteckig in der Erscheinung). Dieser Schritt gestattet es, sämtliche Platten bzw. Zellen auf dieselbe nachfolgende Weise zu bearbeiten.
In Schritt 608 werden die Temperaturdaten (siehe oben beschriebener Schritt 604) für jede Platte, die in Schritt 606 isoliert (identifiziert und begrenzt) wurde, tabellarisch angeordnet. In dem einfachsten Fall ist dafür ein Mittel- bzw. Medianwert nützlich. Es können zum Beispiel der Mittel- bzw. Medianwert der Temperaturwerte in jeder einzelnen Platte ermittelt werden. Wie oben beschrieben stellt ein Pixelwert in dem Infrarotwärmebild die Temperatur an einem physischen Punkt im Raum dar (z. B. an einem Punkt in einer isolierten Platte). Somit können die Mittel- bzw. Medianwerte der Temperaturwerte dieser Pixel in einer bestimmten isolierten Platte ermittelt werden. Der Prozess zum Ermitteln eines Mittel- bzw. Medianwerts für eine Vielzahl von Temperaturwerten ist einem Fachmann bekannt und wird deshalb hierin nicht weiter beschrieben. Andere kompliziertere Berechnungen zur tabellarischen Anordnung der Temperaturdaten für jede isolierte Platte wie die Verwendung einer Grundlinienfunktion (siehe Beschreibung des Schritts 610 unten) können eingesetzt werden, um eine genauere Darstellung der Plattentemperatur zu erhalten.
An diesem Punkt in dem Prozess können in Schritt 610 Korrekturen angewendet werden, die das Wärmeverhalten der Platte in Bezug auf die Kühlung berücksichtigen. Ein oberer Teil einer Platte kann zum Beispiel auf Grund von Wind wärmer als ein unterer Teil derselben Platte sein. Ohne den Wind würden jedoch der obere und der untere Teil der Platte dieselbe Temperatur verzeichnen. Somit kann die Auswirkung des Windes zu falschen Messwerten führen, wenn sie nicht berücksichtigt wird. Durch Untersuchen des Temperaturunterschieds am oberen und unteren Ende kann diese Differenz von den Daten abgezogen werden, um Randeffekte und damit verbundene Artefakte aus den Daten zu entfernen und die Daten auf eine tatsächliche Plattentemperatur zu vermindern. Wie oben dargelegt können diese Korrekturen umgesetzt werden, um eine genauere Darstellung einer Plattentemperatur zu erhalten (d. h. im Vergleich zum einfachen Berechnen der Mittel- bzw. Mediantemperatur der Platte). Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Grundlinienfunktion für einen bestimmten rechteckigen Bereich berechnet, der einer Platte (bzw. Zelle, siehe unten) in dem Infrarotwärmebild entspricht, die in ihrer einfachsten Form eine geglättete Schätzung der Mediantemperatur der Platte über deren Oberfläche umfasst. Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform beinhaltet eine kompliziertere Schätzung für die tabellarische Anordnung der Plattentemperatur das Anwenden eines Wärmemodells auf die Platte, das den Wärmewiderstand der Platte, die Ausrichtung (darunter die Höhe über dem Boden), die Windgeschwindigkeit und die Sonneneinstrahlung berücksichtigt. Einem Fachmann ist klar, wie diese Faktoren bei der tabellarischen Anordnung der Plattentemperatur zu berücksichtigen sind. In jedem Fall handelt es sich bei der Grundlinienfunktion um einen Bezug, mit dem die Temperaturdaten verglichen werden, und sie entspricht einer erwarteten Temperatur der Platte.
Die Grundlinie kann für eine einzelne Platte berechnet werden, um einzelne Zellschwankungen zu isolieren (siehe unten). Ferner kann die Grundlinie für eine Vielzahl von Platten berechnet und zu einer Mediangrundlinie zusammengeführt werden. Dieses alternative Mittel der Analyse gestattet einen Vergleich von entsprechenden Flächen einer Platte in Bezug auf andere Platten in derselben Anlage zur selben Zeit, um die relative Leistungsfähigkeit zu bestimmen.
Flächen der Platte mit einer niedrigeren Temperatur bezogen auf die Grundlinienfunktion leiten im Vergleich zu Flächen mit einer höheren Temperatur bezogen auf die Grundlinienfunktion einen größeren Teil ihrer Wärme in Form von Elektrizität ab. Wenn die Grundlinienfunktion ausreichend sorgfältig berechnet wird, kann der Wirkungsgrad einer bestimmten Platte bzw. Zelle berechnet werden.
Insbesondere wird in Schritt 612 ein Leistungsfähigkeitsstatus jeder identifizierten, d. h. isolierten, Platte ermittelt. Der Begriff „Leistungsfähigkeit”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Wirkungsgrad, mit dem ein bestimmtes Element (eine Platte bzw. Zelle) einfallende Sonnenenergie in Elektrizität umwandelt und an die Last liefert (Last bedeutet Stromversorgungsnetz (grid), das in diesem Fall Energie in Form von Elektrizität ableitet). Die Leistungsfähigkeit kann zum Beispiel durch Vergleichen der Temperatur der Platte mit benachbarten bekannten funktionierenden Platten und/oder durch Vergleichen einer absoluten Temperatur der Platte mit einem Modell abgeleitet werden, das Faktoren wie Sonneneinstrahlung und Wind berücksichtigt, um eine erwartete Temperatur der Platte im Betrieb zu ermitteln. In jedem Fall zeigt ein positiver Temperaturunterschied an, dass die Leistungsfähigkeit der Platte beeinträchtigt oder dass sie ausgefallen ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann der Leistungsfähigkeitsstatus jeder Platte entweder funktionsfähig (die Platte arbeitet gemäß den Herstellerspezifikationen), beeinträchtigt (die Leistungsfähigkeit ist nicht optimal, obwohl die Platte zu einem gewissen Grad noch funktioniert) oder ausgefallen (die Platte funktioniert nicht mehr) sein.
Die Schritte der Methodik 600 können in bestimmten regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Auf der Grundlage von der Leistungsfähigkeitsauswertung kann dann eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob eine bestimmte Platte unverzüglich auszutauschen ist oder bis zu dem nächsten Auswertungszyklus gewartet werden kann. Wenn eine bestimmte Platte lediglich beispielhaft angeführt in einem Leistungsprüfzyklus eine beeinträchtigte Leistungsfähigkeit zeigt (d. h. während einer Wiederholung der Methodik 600), kann ein Betreiber entscheiden, die Platte entweder zu diesem Zeitpunkt auszutauschen oder zu warten, um festzustellen, ob die Leistungsfähigkeit der Platte während der nächsten Wiederholung der Methodik 600 noch weiter beeinträchtigt ist.
Um eine derartige Feststellung zu ermöglichen, wird in Schritt 614 ein Bericht erzeugt, der die Analyse zusammenfasst (d. h., den Leistungsfähigkeitsstatus jeder isolierten Platte angibt). Jede beliebige geeignete Form von Datenberichten kann dazu verwendet werden, einem Betreiber den Leistungsfähigkeitsstatus zu vermitteln, darunter numerische und/oder grafische Darstellungen, jedoch nicht darauf beschränkt.
Die Analyse von einzelnen Zellen in einer funktionierenden Platte kann auf gleichartige Weise wie die obige Analyse analysiert werden. In diesem Fall wird ein Bild einer Platte oder eines Bereichs einer Platte mit ausreichend hoher Pixelauflösung aufgenommen, um einzelne Zellen mit mindestens einem Pixel abzubilden. In der Praxis ist eine Vielzahl von Pixeln pro Zelle (d. h. größer als 100 Pixel) wünschenswert.
Einzelne Zellen in dem Wärmebild werden dann wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung von Schritt 606 beschrieben isoliert, und jeder isolierten Zelle zugehörige Temperaturdaten werden wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung von Schritt 608 beschrieben tabellarisch angeordnet. Rand- und Strukturkühlungseffekte, Kamera-Artefakte usw. in den Daten über einzelne Zellen werden wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung von Schritt 610 beschrieben ausgeglichen.
Der Leistungsfähigkeitsstatus der einzelnen Zellen wird durch Vergleichen der Zellentemperatur mit benachbarten Zellen und durch Auswerten eines theoretischen Zellentemperaturmodells wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung von Schritt 612 beschrieben geschätzt, und über die Daten wird wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung von Schritt 614 beschrieben berichtet.
7 zeigt ein Schaubild, das eine Infrarotkamera (z. B. die Infrarotkamera 101 des Infrarotdiagnostiksystems 100) veranschaulicht, die durch eine mechanische Halterung wie der oben beschriebenen mechanischen Halterung 200 aus 2 mit Fernschwenk- und Neigefunktionen an einem Bodenfahrzeug 702 (bei dem es sich um jedes beliebige Bodenfahrzeug handeln kann, das in der Lage ist, die Infrarotkamera relativ zu Solarzellenplatten zu positionieren, um einen gewünschten Bereich einer Solaranlage zu beobachten) angebracht ist. In einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Bodenfahrzeug 702 um eine einfache Plattform auf Rädern mit einem ausfahrbaren Mast, an dem die Infrarotkamera befestigt werden kann, und einem fernbedienbaren Schwenk-/Neigemechanismus. In einer alternativen Ausführungsform wird die Plattform auf Rädern durch einen selbstangetriebenen, batterieversorgten, ferngesteuerten, motorisierten Wagen ersetzt. In einer Ausführungsform umfasst eine Fernsteuerung eine manuell betätigte Steuerung, die mit der gesteuerten Einheit durch ein drahtgebundenes oder drahtloses Mittel verbunden ist. Gemäß der in 7 gezeigten, veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform enthält das Bodenfahrzeug 702 einen Mast 704, an dem die Infrarotkamera angebracht ist. Vorzugsweise hat der Mast eine Ausziehfunktion (wie durch den Pfeil 706 angezeigt), die es gestattet, die Infrarotkamera nach oben oder unten zu verschieben, um optimalen Zugang zu den Platten, die abgebildet werden, zu erhalten. Die Steuerung des Masts wird vorzugsweise ebenfalls fernbedient, wobei das auch manuell stattfinden könnte.
8 zeigt ein Schaubild, das eine Infrarotkamera (z. B. die Infrarotkamera 101 des Infrarotdiagnostiksystems 100) veranschaulicht, die durch eine mechanische Halterung wie der oben beschriebenen mechanischen Halterung 200 aus 2 mit Fernschwenk- und Neigefunktionen an einem Luftfahrzeug 802 (bei dem es sich um jedes beliebige Luftfahrzeug handeln kann, das in der Lage ist, die Infrarotkamera relativ zu Solarzellenplatten zu positionieren, um einen gewünschten Bereich einer Solaranlage zu beobachten) angebracht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mit drahtloser Fernbedienung konfigurierte Infrarotkamera (siehe oben) an einem Luftschiff angebracht, das ebenfalls eine drahtlose Fernsteuerung besitzt. In dieser Ausführungsform ist das Luftschiff ein kleines, mit Helium gefülltes, nicht starres Kleinluftschiff (blimp) mit einem Volumen von ungefähr acht Kubikmetern (m³) und einer Nutzlast von einem Kilogramm (kg) mit Richtungssteuerung durch elektrische, motorgetriebene Luftschrauben und batteriebetrieben durch einen kleinen Akkumulator.
Wenden wir uns nun 9 zu, in der ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 900 zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. Es sollte klar sein, dass die Vorrichtung 900 eine Ausführungsform zum Umsetzen der Methodik 600 aus 6 darstellt und als Computer 102 des Infrarotdiagnostiksystems aus 1 dienen kann.
Die Vorrichtung 900 umfasst ein Datenverarbeitungssystem 910 und austauschbare Medien 950. Das Datenverarbeitungssystem 910 umfasst eine Prozessoreinheit 920, eine Netzwerkschnittstelle 925, einen Speicher 930, eine Medienschnittstelle 935 und eine optionale Anzeige 940. Die Netzwerkschnittstelle 925 ermöglicht es dem Datenverarbeitungssystem 910, eine Verbindung zu einem Netzwerk herzustellen, während die Medienschnittstelle 935 es dem Datenverarbeitungssystem 910 erlaubt, mit Medien wie einem Festplattenlaufwerk oder den austauschbaren Medien 950 Daten auszutauschen.
Wie nach dem Stand der Technik bekannt können die hierin erörterten Verfahren und Vorrichtungen als ein Herstellungsprodukt vertrieben werden, das selbst ein durch eine Maschine lesbares Medium umfasst, das ein oder mehrere Programme enthält, die bei Ausführung Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umsetzen. Das durch eine Maschine lesbare Medium kann zum Beispiel ein Programm enthalten, das so konfiguriert ist, dass es das Infrarotwärmebild in Temperaturdaten umwandelt; einzelne Elemente in dem Infrarotwärmebild isoliert; die Temperaturdaten für jedes isolierte Element tabellarisch anordnet; und auf der Grundlage von den tabellarisch angeordneten Temperaturdaten einen Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements ermittelt.
Bei dem durch eine Maschine lesbaren Medium kann es sich zum Beispiel um ein beschreibbares Medium (z. B. Floppy-Disks, Festplattenlaufwerke, optische Platten wie die austauschbaren Medien 950 bzw. Speicherkarten) handeln, oder es kann sich um ein Übermittlungsmedium (z. B. ein Lichtwellenleiter umfassendes Netzwerk, das weltumspannende Netz (world-wide web), Kabel oder einen drahtlosen Kanal, der Zeitvielfachzugriff, Codevielfachzugriff verwendet, oder einen anderen Funkfrequenzkanal) handeln. Es kann jedes beliebige bekannte oder entwickelte Medium, das Daten speichern kann, die zur Verwendung mit einem Datenverarbeitungssystem geeignet sind, verwendet werden.
Die Prozessoreinheit 920 kann so konfiguriert sein, dass sie die hierin beschriebenen Verfahren, Schritte und Funktionen umsetzt. Der Speicher 930 könnte verteilt oder lokal sein, und die Prozessoreinheit 920 könnte verteilt oder einzeln sein. Der Speicher 930 könnte als elektrischer, magnetischer oder optischer Speicher oder jede beliebige Kombination dieser und anderer Arten von Speichereinheiten umgesetzt sein. Außerdem sollte der Begriff „Speicher” weit genug aufgefasst werden, dass er jede beliebige Information umfasst, die von einer Adresse in dem adressierbaren Bereich, auf den von der Prozessoreinheit 920 zugegriffen wird, gelesen bzw. in eine Adresse geschrieben werden kann. Gemäß dieser Definition befinden sich Daten in einem Netzwerk, auf die durch die Netzwerkschnittstelle 925 zugegriffen werden kann, noch immer in dem Speicher 930, da die Prozessoreinheit 920 die Daten von dem Netzwerk abrufen kann. Es sei bemerkt, dass jeder verteilte Prozessor, aus dem die Prozessoreinheit 920 besteht, allgemein seinen eigenen adressierbaren Speicherbereich enthält. Es sei auch bemerkt, dass das Datenverarbeitungssystem 910 teilweise oder vollständig in eine anwendungsspezifische oder universelle integrierte Schaltung integriert sein kann.
Bei der optionalen Videoanzeige 940 handelt es sich um eine Videoanzeige, die dazu geeignet ist, mit einem menschlichen Benutzer der Vorrichtung 900 zu interagieren. Allgemein handelt es sich bei der Videoanzeige 940 um einen Computermonitor oder eine andere gleichartige Videoanzeige.
Obwohl hierin veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf exakt diese Ausführungsformen beschränkt ist und ein Fachmann diverse andere Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Umwandeln des Infrarotwärmebildes in Temperaturdaten; Isolieren einzelner Elemente in dem Infrarotwärmebild; tabellarisches Anordnen der Temperaturdaten für jedes isolierte Element; und Ermitteln eines Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements auf der Grundlage der tabellarisch angeordneten Temperaturdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Elemente Solarzellenplatten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Elemente Solarzellen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Isolierens ferner den folgenden Schritt umfasst: Identifizieren von rechteckigen Bereichen des Infrarotwärmebildes, die einzelnen Elementen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des tabellarischen Anordnens ferner den folgenden Schritt umfasst: Ermitteln eines Mittelwertes der Temperaturdaten für jedes der isolierten Elemente.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des tabellarischen Anordnens ferner den folgenden Schritt umfasst: Ermitteln eines Medianwerts der Temperaturdaten für jedes der isolierten Elemente.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Erzeugen eines Berichts über den Leistungsfähigkeitsstatus jedes der isolierten Elemente.
Herstellungsprodukt zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes, das ein durch eine Maschine lesbares Medium umfasst, das ein oder mehrere Programme enthält, die bei Ausführung die folgenden Schritte umsetzen: Umwandeln des Infrarotwärmebildes in Temperaturdaten; Isolieren einzelner Elemente in dem Infrarotwärmebild; tabellarisches Anordnen der Temperaturdaten für jedes isolierte Element; und Ermitteln eines Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements auf der Grundlage von den tabellarisch angeordneten Temperaturdaten.
Vorrichtung zum Analysieren eines unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommenen Infrarotwärmebildes, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Speicher; und mindestens eine mit dem Speicher verbundene Prozessoreinheit, die in der Lage ist: das Infrarotwärmebild in Temperaturdaten umzuwandeln; einzelne Elemente in dem Infrarotwärmebild zu isolieren; die Temperaturdaten für jedes isolierte Element tabellarisch anzuordnen; und auf der Grundlage von den tabellarisch angeordneten Temperaturdaten einen Leistungsfähigkeitsstatus jedes isolierten Elements zu ermitteln.
Infrarotdiagnostiksystem, das Folgendes umfasst: eine Infrarotkamera, die entfernt relativ zu einem oder mehreren abzubildenden Elementen angeordnet sein kann; und einen Computer, der so konfiguriert ist, dass er über eine Datenübertragungsverbindung von der Infrarotkamera Wärmebilder empfängt und die Wärmebilder analysiert.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem die abzubildenden Elemente Solarzellenplatten umfassen.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem die abzubildenden Elemente Solarzellen umfassen.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem die Infrarotkamera eine Pixelauflösung von mindestens etwa 240 Pixel mal 320 Pixel aufweist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem es sich bei der Datenübertragungsverbindung um eine drahtlose Datenübertragungsverbindung handelt.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem die Infrarotkamera fernsteuerbare Schwenk- und Neigefunktionen aufweist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, bei dem die Infrarotkamera fernsteuerbare Objektiveinstellungsfunktionen aufweist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: ein fernsteuerbares Luftschiff, an dem die Infrarotkamera angebracht ist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 17, bei dem die Infrarotkamera fernsteuerbare Schwenk- und Neigefunktionen sowie fernsteuerbare Objektiveinstellungsfunktionen aufweist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: ein fernsteuerbares Bodenfahrzeug, an dem die Infrarotkamera angebracht ist.
Infrarotdiagnostiksystem nach Anspruch 19, bei dem die Infrarotkamera fernsteuerbare Schwenk- und Neigefunktionen sowie fernsteuerbare Objektiveinstellungsfunktionen aufweist.