在研發(fā)領(lǐng)域，熱像儀已經(jīng)是用于太陽能電池和電池板檢查的成熟工具。對于這些復(fù)雜的測量，配備制冷式探測器的高性能熱像儀通常用于受控實驗室條件下。
但熱像儀的太陽能電池板檢查用途并不僅限于研究領(lǐng)域。非制冷式熱像儀目前正越來越多地應(yīng)用于太陽能電池板安裝前的質(zhì)量管理，以及安裝后的常規(guī)預(yù)測性維護檢查。這些價格實惠的熱像儀采用便攜式設(shè)計，且重量輕盈，因此可實現(xiàn)野外靈活應(yīng)用。
自動模式（上圖）和手動模式（下圖）下帶電平和跨度值的熱圖像。
使用熱像儀可以探測到潛在問題區(qū)域，并在問題或故障真正出現(xiàn)前予以修復(fù)。 但并非每一種熱像儀都適合太陽能電池檢查，需要遵循一些規(guī)則和指導(dǎo)方針，以便實施有效檢查，確保得出正確的結(jié)論。本文案例是以晶體硅太陽能電池的光伏模 塊為基礎(chǔ)；但這些規(guī)則和指導(dǎo)方針以及熱成像的基本概念也適用于薄膜模塊的熱成像檢查。
熱像儀檢查太陽能電池板規(guī)程
在研制和生產(chǎn)階段，太陽能電池是靠通電或使用閃光燈來激活。這確保了充分的熱對比度，用于精確熱成像測量。但這種方法不能用于實地檢查太陽能電池板，因此操作員必須確保有足夠的太陽能。
為了在實地檢查太陽能電池時獲得充分的熱對比度，需要500 W/m2以上的太陽輻照度。要獲得最大值結(jié)果，建議準備好700 W/m2太陽輻照度。太陽輻照度以kW/m2為單位，描述了一個表面的瞬間入射能量，該能量可用日射強度計（用于測量全球太陽輻照度）或太陽熱量計（用于測量直接太陽輻照度）進行測量。太陽輻照度主要取決于位置和局部天氣。較低的室外溫度也可提高熱對比度。
您需要哪一種類型的熱像儀？
用于預(yù)測性維護檢查的便攜式熱像儀通常搭載有靈敏度為8–14μm波段的非制冷微量熱型探測器。但在這個波段內(nèi)是無法穿透玻璃的。從電池板正面檢查太陽能電池時，熱像儀探測到的是玻璃表面的熱量分布，但只能間接探測玻璃下方電池的熱量分布。因此太陽能電池板玻璃表面的可測量和可視溫差比較微弱。為了使這些溫差可見，用于檢查的熱像儀需要具備≤0.08K的熱靈敏度。為了清晰顯現(xiàn)熱圖像中的微弱溫差，熱像儀還應(yīng)能夠手動調(diào)節(jié)電平和跨度。
光伏組件一般安裝在具有高度反射性的鋁制框架上，這種框架在熱圖像上會顯示為冷區(qū)，因為它能反射天空中散發(fā)的熱輻射。在實踐中，這意味著熱像儀記錄到的框架溫度遠低于0°C。由于熱像儀的直方圖均衡自動適配最大和最小測溫值，許多細微的熱異常不會立即顯現(xiàn)。為了獲得高對比度熱圖像，需要不斷對電平和跨度進行手動調(diào)節(jié)。
所謂的DDE（數(shù)字細節(jié)增強）功能提供了解決方式。DDE能夠自動優(yōu)化高動態(tài)范圍場景下的圖像對比度，熱圖像不再需要進行手動調(diào)節(jié)。因此具備DDE功能的熱像儀非常適用于快速精確的太陽能電池板檢查。
實用功能
熱像儀的另一個實用功能是為熱圖像添加GPS數(shù)據(jù)標記。這可以幫助在大片區(qū)域，如太陽能電廠中輕松定位有問題的模塊，并將熱圖像與設(shè)備進行關(guān)聯(lián)，例如在報告中。
未經(jīng)DDE處理的熱圖像（左圖）和經(jīng)過DDE處理的熱圖像（右圖）。
像儀應(yīng)該配備內(nèi)置數(shù)碼相機鏡頭，以 便將相關(guān)可見光圖像（數(shù)碼照片）與相應(yīng)的熱圖像一起保存。所謂的疊加模式可將熱圖像與可見光圖像相互疊加，也頗為實用。聲音和文本注釋可連同熱圖像一起保存在熱像儀中，有利于報告編寫。
熱像儀放置：考慮熱反射和輻射系數(shù)
雖然玻璃在8–14μm波段的輻射系數(shù)為0.85–0.90，但玻璃表面的測溫并不容易。玻璃熱反射如同鏡面反射，這意味著不同溫度的周邊物體在熱圖像上能夠清晰呈現(xiàn)。在最糟糕的情形中，這會導(dǎo)致成像失實（假“熱點”）和測量誤差。
為了避免熱像儀和操作員的玻璃熱反射，熱像儀不應(yīng)垂直對準被檢查的模塊。但輻射系數(shù)在熱像儀垂直時達到最大，熱像檢查中的建議視場角（綠色）和應(yīng)避免的視場角（紅色）。并隨著熱像儀角度的增加而減小。5–60°的視場角是一個較好的平衡點（0°為垂直）。
這幅熱圖像展示了大片高溫區(qū)域。由于缺乏更多信息，無法看清這是熱異常還是遮蔽/熱反射
為避免得出錯誤結(jié)論，檢查太陽能電池板時，您需要以正確角度握持熱像儀。
使用KLIR P660紅外熱像儀從空中拍攝太陽能電廠獲得的熱圖像。（感謝IMM的Evi Müllers提供的熱圖像）。
遠距離檢查
測量期間并非總能輕易獲得合適的視場角。在多數(shù)情況下，使用三腳架能夠解決問題。在較為不利的條件下，可能需要使用移動作業(yè)平臺或者甚至乘坐直升機飛到太陽能電池上方。在這種情況下，距離目標較遠可能是一個優(yōu)勢，因為可以一次性檢查一大片區(qū)域。為了保證熱圖像的質(zhì)量，用于遠距離檢查的熱像儀至少應(yīng)具備320 × 240像素、最好是640 ×480像素的圖像分辨率。熱像儀還應(yīng)配備有互換鏡頭，以便操作員能夠更換長焦鏡頭，進行遠距離檢查，比如從直升機上。但是建議長焦鏡頭僅用于圖像分辨率高的熱像儀。使用長焦鏡頭進行遠距離測量的低分辨率熱像儀無法探測到指示太陽能電池板故障的細微熱量細節(jié)。
熱像檢查中的建議視場角（綠色）和應(yīng)避免的視場角（紅色）。
玻璃輻射系數(shù)的角度相關(guān)性
從不同視角進行檢查
在多數(shù)情況下，已安裝的光伏組件也可用熱像儀從組件后方進行檢查。這種方式可以將太陽和云朵的干擾性熱反射減至最小。此外，從組件后部獲得的溫度可能比較高，因為是直接測量電池，而不是透過玻璃表面進行測量。
周圍環(huán)境和測量條件
應(yīng)選擇晴朗天氣進行熱像檢查，因為云朵會降低太陽輻照度，并產(chǎn)生熱反射干擾。但只要所用的熱像儀足夠靈敏，即便是在陰天也可以獲得有用的圖像。安靜的環(huán)境也比較有利，因為太陽能電池板表面的任何氣流都會造成傳遞性冷卻，從而降低熱梯度。空氣溫度越低，潛在熱對比度就越高。建議在清晨進行熱像檢查。
另一種提高熱對比度的方法是斷開電池負載，以斷開電流，使熱量僅僅依靠太陽輻照度產(chǎn)生。然后接上負載，在電池的發(fā)熱階段進行檢查。
但在正常情況下，系統(tǒng)檢查應(yīng)在標準運行條件下，即負載狀態(tài)下進行。取決于電池和問題或故障的類型，在無負載或短路條件下的測量結(jié)果可提供額外的信息。
使用FLIR P660紅外熱像儀拍攝的太陽能電池板背面熱圖像。它的對應(yīng)可見圖像如右圖所示。
測量誤差
產(chǎn)生測量誤差的主要原因是熱像儀放置不當和周圍環(huán)境與測量條件欠佳。典型的測量誤差原因有：
視場角過窄
太陽輻照度隨著時間推移而改變（例如由于云層變化所致）
熱反射（如太陽、云朵、周圍更高的建筑、測量裝備等）
局部遮蔽（如周圍建筑或其他構(gòu)筑物的遮蔽）
熱圖像提供的信息
如果太陽能電池板的某些部位溫度高于其他部位，溫暖區(qū)域會清晰顯現(xiàn)在熱圖像上。取決于形狀和位置，這些熱點和熱區(qū)域能夠指示出不同的故障。如果整個組件的溫度都高于往常，這可能表明存在互連問題。如果單個電池或電池組顯示為一個熱點或溫度較高的“拼接圖案”，通常是旁路二極管故障、內(nèi)部短路或電池錯配所致。
表1：常見模塊故障列表（來源：ZAE Bayern公司，“使用熱成像技術(shù)對光伏組件進行質(zhì)量檢測”，2007年）
(Source: ZAE Bayern e.V, “Überprüfung der Qualität von Photovoltaik- Modulen mittels Infrarot-Aufnahmen” ["Quality testing in photovoltaic modules using infrared imaging”], 2007)
這幅熱圖像展示了所謂的“拼接圖案”案例，該圖案表明這塊電池板的旁路二極管出現(xiàn)故障。
這些紅點顯示溫度一直高于其他組件的組件，表明存在連接故障。
在一個太陽能電池內(nèi)的這個熱點表明該電池內(nèi)部存在物理損傷。
熱像儀主要用于查找故障。對檢測到的異常現(xiàn)象進行分類和評估需要對太陽能技術(shù)、被檢查系統(tǒng)和附加的電氣測量值有透徹的了解。適當?shù)奈募牧袭斎灰脖夭豢缮伲?yīng)包含所有檢查條件、附加測量值和其他相關(guān)信息。
使用熱像儀進行檢測（先是用于安裝期間的質(zhì)量控制，緊接著是常規(guī)檢查）可促進全面、簡單地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。這將有助于保持太陽能電池板的功能及延長其使用壽命。因此，使用熱像儀檢測太陽能電池板將顯著提升運營公司的投資回報率。
