一種太陽能光伏板積灰在線監測裝置的製作方法

2023-05-19 01:05:26

本實用新型涉及一種太陽能光伏板積灰在線監測裝置。

背景技術：

隨著中國夢帶動的經濟發展，電力需求越來越大，而煤、石油等傳統能源消耗殆盡，新能源的發展迫在眉睫。太陽能光伏發電是新能源發展中尤為突出的一項，也是以後主要的電力來源。然而太陽能光伏板的光電轉換效率受積灰影響極為嚴重，積灰濃度從0逐步增加到4g/m2，仿真結果顯示隨著積灰濃度的增加，光伏輸出功率受到明顯的限制，單體最大功率點下降幅度分別為7.51％、13.27％、18.16％、22.24％。，某30kW光伏工程項目運行數據統計結果顯示經清潔後光伏組件的輸出效率有明顯的提升，平均效率提高1.57％。可見積灰的在線監測及清潔是太陽能發電途徑的重要一環，從根本上決定了未來發電方式的導向。而現在只依靠專家的經驗來判斷積灰清理的時間，這種有人為因素幹預的方式的準確性有待考究，不具有可靠性，所以通過在線監測系統對積灰監測，並考慮到光伏板的安裝方式、氣候條件、安裝地點，來確定積灰清理的時間是極其有必要的。

隨著計算機技術的發展，圖像技術已經應用到各個領域，並取得了飛速的發展，目前已經進入全面應用的新時代，形成了一門綜合性的新學科。隨著計算機視覺理論和模式識別研究的不斷發展，遙感圖像分析、視頻監控系統已經廣泛應用於各種工業現場中了。然而這些並不具有對圖像進行相關分析和計算的功能。

技術實現要素：

本實用新型解決的技術問題在於提供一種基於圖像顏色提取技術的太陽能光伏板積灰在線監測系統，針對圖像顏色的RGB參數進行學習訓練，符合電力系統的可靠性、及時性、準確性的運行要求，安全方便，為實現上述實用新型的目的可以通過以下技術方案實現本實用新型採用如下技術方案：

一種太陽能光伏板積灰在線監測裝置，其特徵在於該裝置包括中心監控工控機(1)、資料庫(2)，數據報警系統(3)，多通道數據採集卡(4)，CCD攝像機(5)，環境溫度傳感器(6)，太陽能光伏板溫度傳感器(7)，光照幅度傳感器(8)和太陽能光伏板(9)；

所述中心監控工控機(1)分別與資料庫(2)和多通道數據採集卡(4)相連，並能夠進行數據的交換；所述CCD攝像機(5)，環境溫度傳感器(6)，太陽能光伏板溫度傳感器(7)和光照幅度傳感器(8)收集的數據通過多通道數據採集卡(4)經傳輸網絡傳輸至中心監控工控機(1)，所述CCD攝像機(5)，環境溫度傳感器(6)，太陽能光伏板溫度傳感器(7)，光照幅度傳感器(8)通過太陽能光伏板(9)提供能量；所述數據報警系統(3)連接中心監控工控機(1)。

所述中心監控工控機(1)含有鍵盤(10)和顯示器(11)。

所述中心監控工控機(1)含有拍照圖像調用模塊、圖像處理模塊、分析計算功能及檢測預警模塊；所述的拍照圖像調用模塊、圖像處理模塊及檢測預警模塊通過組態軟體實現。

所述拍照圖像調用模塊採用MATLAB進行調用。

所述的圖像處理模塊是通過MATLAB對圖像顏色值的R、G、B參數及其中心距進行計算及分析。

所述的MATLAB軟體通過組態軟體調用。

一種採用前所述的裝置進行太陽能光伏板積灰在線監測的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

步驟一、設定標識點；在太陽能光伏板(9)正前方設置標示點，在標示點處布置CCD攝像機(5)；

步驟二、在光照幅度為200-1200W/m2的光照幅度下進行圖像採集；

步驟三、將CCD攝像機(5)所採集視頻傳輸到中心監控工控機(1)同時記錄實時環境溫度、太陽能光伏板溫度、光照幅度；

步驟四、測量光伏板面安裝傾斜角度；

步驟五、中心監控工控機內的MATLAB程序按照設置的頻率在視頻中截取圖像，並實時在線計算所截取圖像顏色值的R(紅)、G(綠)、B(藍)中的參數R、G、B分量；

步驟六、利用大數據理論，基於太陽能光伏板積灰圖像RGB參數和發電效率的實驗數據，構建其RGB參數與發電效率間定量關聯計算模型；

步驟七、依據所建立的太陽能光伏板積灰圖像RGB參數與發電效率間的定量關聯計算模型，當CCD攝像機實時傳入太陽能光伏板積灰視頻，中心監控工控機可在線計算出圖像的RGB參數，進而實時在線計算出太陽能光伏板發電效率；

步驟八、基於監測的太陽能光伏板溫度值，依據太陽能光伏板功率溫度係數，將發電效率修正為標準測試溫度(或電池額定工作溫度)所對應的數值，將該數值與標準測試條件(或電池額定工作溫度條件)下的發電效率比對，得出太陽能光伏板積灰狀態參數。

有益效果：

1)光伏電池板積灰後，其顏色值發生顯著變化，本發明通過提取光伏板面視頻圖像RGB顏色值來表徵積灰狀態及其動態特性，實現光伏板積灰狀態的在線監測與特徵提取；

2)採用監控計算機實時提取分析光伏板積灰圖像顏色值，依據所建立的光伏板顏色值與發電效率定量關聯計算模型，在線實時分析光伏板的積灰狀態，實現光伏板積灰狀態及發電效率的非接觸檢測和定量分析；

附圖說明

圖1是積灰在線監測系統總體結構圖。

圖2是積灰在線監測系統工作流程。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。

具體實施方式

結合附圖對本實用新型進一步解釋說明。

如圖1～2所示，一種基於基於圖像顏色提取技術的太陽能光伏板積灰在線監測系統，通過CCD攝像機採集圖像並和溫度、光照度數據一起傳輸到多通道數據採集卡上，形成標準信號，再與中心監測工控機互聯，數據保存於資料庫備用。對圖像進行處理，計算彩色圖像的RGB參數及其中心距，建立光伏板發電效率與RBG參數的相關關係。依據積灰產生經濟損失和積灰清洗費用最小化原則，設置基於RGB參數的閾值，當所測參數達到閾值，發出報警，工作人員進行相關操作。

所述的CCD攝像機是一種電荷耦合器件，把光信號轉變成靜態圖像傳輸到中心監測工控機上。在監測過程中採用定焦距拍攝，能採集80％以上的光伏板圖像而不附帶其他背景圖像。

所述的溫度數據通過非接觸式紅外溫度傳感器測量；光照幅度數據通過光照幅度傳感器(單位W/M2)測量。所採集信號統一由數據採集卡收集再轉換成標準信號傳輸到中心監測工控機。

所述的圖像處理包括圖像的採集、編碼、存儲、傳輸以及圖像的顯示、變換、增強、去噪、銳化、邊緣檢測、恢復和重建、圖像的分割，圖像的特徵分析主要是對顏色特徵的分析還有基於它們的推理、判斷、決策和行為規則等。

所述的圖像增強具體方法是基於模糊集理論的圖像增強技術。

所述的圖像去噪具體方法是基於小波係數相關性的圖像去噪技術。

所述的圖像銳化具體方法是基於拉普拉斯的圖像銳化算法。

所述的圖像邊緣檢測具體方法是基於灰色關聯分析理論的圖像邊緣檢測算法。

所述的圖像分割具體方法是基於快速二維熵的加權模糊C均值聚類圖像分割技術。

所述的圖像顏色特徵突出表現在色差方面，一般可以用顏色空間內兩顏色矢量的歐式距離來判定。最常用的是Minkowsiki距離度量方法，冪次項的參數變化可以得到多種形式。引入協方差矩陣，得到橢球形的距離度量方法。為減少計算量，將色度、飽和度、亮度歸一化處理，其差值綜合求距離進行判斷。

所述的圖像顏色特徵中灰度特徵提取經常用到以下三個亮度方程。

PAL電視制式亮度方程：

L＝0.222r+0.707g+0.071b

NTSC電視制式亮度方程：

L＝0.299r+0.587g+0.114b

CIE推薦三基色相對亮度方程：

L＝r+4.5907g+0.0601b

所述的圖像顏色特徵的色度或飽和度不受照明條件的影響，稱為顏色視覺不變性，即已知光源光譜分布可推算物面光學參數。對於光源色，顏色刺激函數φ(λ)＝S(λ)，其中S(λ)為光源的光譜功率分布。對於投射物體色，顏色刺激函數φ(λ)＝S(λ)τ(λ)，其中τ(λ)為光譜的投射率。對於漫反射物體，顏色刺激函數φ(λ)＝S(λ)β(λ)。β(λ)為光譜反射的因數或光譜輻亮度因數。

所述的RGB空間是一個三維立方體空間結構，分別用紅綠藍表示三個坐標軸，立方體底部R＝G＝B＝0處為黑色，頂部與其相對角R＝G＝B＝255處為白色。RGB空間能轉換成任何顏色空間，實現由一組原色向另一組原色的轉換，這是因為原色刺激都可以由其他組原色刺激的混合來合成。例如從RGB轉換到R·G·B·，可以寫成如下形式：

R·＝a11R+a21G+a31B

G·＝a12R+a22G+a32B

B·＝a13R+a23G+a33B

所述的圖像特徵的顏色度量，給定一有代表性的彩色樣品集，可得到一個彩色「平均」估計，用RGB向量a來表示這個平均色彩，令z表示RGB空間中任意一點，若它們之間的距離小於特定的閾值D0，則z和a是相似的，z和a的歐式距離：

D(z,a)≤D0的點是半徑為D0的實心球。球內部和表面的點符合特定的彩色準則；球外的點則不符合。

上式距離測度的推廣如下：

其中C是希望分割的彩色典型樣本協方差矩陣。使用邊界盒能夠簡化運算，盒的中心在a上，沿每一彩色軸的尺度選擇與沿每個軸取樣的標準差成比例，標準差的計算只使用一次樣本數據。

所述的圖像特徵中顏色相似性度量廣泛應用於圖像邊緣檢測、圖像分割、圖像檢索以及圖像壓縮等領域。彩色圖像常採用HSI顏色空間實現色差度量，常用RGB空間轉換為HSI空間，現提出一種新的顏色相似性度量方法，避免的複雜的轉換過程。

所述的新的顏色相似性度量方法，其特徵為如果兩種顏色的RGB值大小成比例，那麼它們的色度和飽和度的值是相等的，亮度值成比例關係。設RGB空間的兩種顏色向量分別表示為f和g，其中f＝(f1,f2,f3),g＝(g1,g2,g3).f,g之間的相關係數為r(f,g),則：

其中

當兩個顏色向量方向相同時，f＝Kg(K為常數)，則r(f,g)＝1。隨著兩個顏色向量之間的夾角增大r(f,g)值減小，這樣可以兩種顏色在RGB空間內的r(f,g)來表示HSI空間中色度和飽和度的相似程度。r(f,g)越大，相似程度越大，反之，相似程度越小。

所述的新的顏色相似性度量方法中色度和飽和度相等時，亮度值可能相差很大，所以需要進一步的比較兩種顏色的亮度，定義f,g之間的亮度相似係數k(f,g):

其中C＝3×255＝765，當兩個顏色的亮度相同時，k(f,g)＝1，有亮度差時k(f,g)0,α2>0,α1>α2。

只能以連續變化的數值範圍來表示兩種顏色的相似程度，而顏色相似係數的大小表示了顏色相似程度的大小。

所述的RGB顏色空間是最常用的顏色空間，雖然本身存在一定缺陷，但在自然環境中的光伏板積灰濃度是隨著時間的增加而增加的，也就是說RGB參數會由大變小而不會發生躍動，所以設定一定的RGB參數閾值可以斷定積灰達到一定濃度，進而與光伏板的發電效率聯繫，做出經濟性比較，從而優化清理周期。

應理解，這些實施例僅用於說明本實用新型而不用於限制本實用新型的範圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容之後，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。