光伏电站自动跟踪式监控系统设计_谢涛.pdf

Application 创新应用104 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月摘要：阐述阵列式智慧气象站方案，具有高成像质量、高实时性的全天候、全天空摄像系统，为预测和提升光伏发电项目的发电效率提供图像数据。关键词：自动跟踪，全天空摄像，监控系统。中图分类号：TP274文章编号：1000-0755(2023)04-0104-02文献引用格式：谢涛，周黄河.光伏电站自动跟踪式监控系统设计J.电子技术,2023,52(04):104-105.图像数据进行处理。全天空摄像装置的主要构件。全天空摄像装置构件由五部分组成，即：PC塑料材质的半球形防护罩、全景式与超广角摄像头、图像采集与处理模块、自动加热模块、驱鸟装置、全金属底座1。2 全天空摄像装置主要部件设计与功能 2.1 半球形防护罩半球形防护罩是观察全天空摄像装置首要注意到的构件，整个玻璃罩材质采用PC塑料材料。特点包括高硬度，高透光性、化学稳定性和耐候性等。（1）透光度方面，该防护罩具有很高的透明度，视觉清晰，对于光伏发电预测类的高精度图像需求任务可以提供很好的成像效果支持；（2）耐用性方面，PC塑料材质具高强度及弹性系数、高冲击强度、耐疲劳性佳、尺寸稳定性良好、蠕变小（高温条件下也极少有变化）等特性，成品非常耐用；（3）耐候性方面，PC防护罩对于温度和湿度变化以及酸性和碱性物质都具有很高的耐腐蚀性，非常适合于现场气候条件多变的光伏发电现场应用。经过长时间现场实际应用表明，该防护罩在各方面表现出优异、稳定的性能特性。（1）光学性质方面，半球形设计可以匹配天空穹顶形状，将各角度光线均匀入射到全天空摄像头镜片，在最大程度上较少光线传播路径变化导致的图像畸变；（2）防水性能方面，由于防护罩本身造型为光滑曲度的半球形设计，可以自然地起到难以积灰、积污和积水的特点2。同时防护罩与金属底座的结合0 引言计算实时性全天空云层覆盖率、识别太阳实际角度和位置以及视觉尺寸、还原云层3维重建、还原云层与太阳遮挡关系是当前高级视觉模型的主要任务。通过以上任务的达成，最终合成模型可以完成识别和预测光伏发电组件实际辐照度以及最大辐照度角度的工作。后续将最大辐照度角度的信息输出到跟踪式光伏发电系统的控制端，从而通过调整光伏发电组件至优化角度以提升光伏发电功率。1 针对全天空摄像装置的特征全天空摄像装置的主要创新点。全天空摄像装置是跟踪式光伏发电的重要组成，其与传统摄像装置相比具有格外独特的优点，主要是利用市面上可以直接采购到的低成本民用级器件，配合企业自行研发的专利算法，实现对于跟踪式光伏发电现场全天候状况下全天空图像实时采集与处理。这种装置是在传统摄像装置基础上进行的历史性创新，为光伏电站全天空图像采集提供了便利，有利于促进光伏发电系统发电量获得显著提升。全天空摄像装置的特点。全天空摄像装置所有关键部件均采用民用级产品，可以通过直接采购获得，不需要开模或定制。同时，其设备配备了温控加热模块与高防水标准，以保证系统全天候运行，避免出现因外界因素降低光伏电站发电效率。除此之外，全天空摄像装置的最终输出图像还原度和精度满足后续高精度计算机视觉任务要求，设备满足实时性、全高清图像采集标准，更方便技术人员对光伏电站自动跟踪式监控系统设计谢涛，周黄河（中民新能宁夏盐池光电能源有限公司，宁夏 751500）Abstract This paper describes the array type smart weather station scheme,which has a high imaging quality and real-time all-weather and all-sky camera system,providing image data for predicting and improving the power generation efficiency of photovoltaic power generation projects.Index Terms automatic tracking,all sky camera,monitoring system.Design of Automatic Tracking Monitoring System for Photovoltaic Power PlantsXIE Tao,ZHOU Huanghe(Zhongmin Xinneng Ningxia Yanchi Optoelectronic Energy Co.,Ltd.,Ningxia 751500,China.）作者简介：谢涛，中民新能宁夏盐池光电能源有限公司，工程师；研究方向：电力技术。收稿日期：2022-07-27；修回日期：2023-04-11。Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 105部也达到了IP66等级的防护标准，设备可以完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。即使在承受猛烈的雨水冲击时，防护罩也可以将水汽隔绝在核心元件范围之外，保证系统的正常运作。2.2 全景式、超广角全天空摄像头摄像头作为全天空摄像装置的核心组成部分，对摄像装置运转起到非常重要的作用，主要采用了适合全天空检测的型号。其最高采集分辨率可达到 2 5921 944像素，采集速度可以达到15帧/s，满足全高清2K分辨率标准。同时，摄像头具备75dB动态对比度范围，可以准确还原天空细节。由于天空与云层颜色主要以蓝色和白色为主，所以要在这个光谱范围内继续识别出细节上的差异，必须要选用具有优秀动态对比度范围的摄像头。视角方面，为了达到一次拍摄即可覆盖全部天空范围的目标，镜头广角达到了185超大角度。通过对于天空边缘区域加入可后续还原的光学畸变，可以对整个天空范围准确地采集图像。2.3 图像处理与采集模块参数调节方面，摄像头具备亮度、对比度、色饱和度、色调、清晰度、伽马、白平衡、逆光对比、曝光度等全面参数调节性能。通过后续场地定制化调整环节，可以得到优化的参数组，以应对直拍天空的高太阳照度现场环境条件；接口方面，摄像模组采用USB方式连接，支持UVC协议，并可以兼容Windows系统或嵌入式Linux系统；供电方面，摄像头模组可以运作在低功耗模式，通过USB线缆供电即可，不需要额外电源输入。2.4 自动加热模块为了应对光伏发电现场多变温度环境，该系统在防护罩内部加入了温控自动加热模块。加热模块采用USB供电方式，成本低、稳定性好。经实测，可以保证防护罩内温度始终为25，误差不超过0.5，使得精密的核心器件工作在稳定、合适温度下。除此之外，加热模块的加入使得系统即使在霜期也可以免受霜、雪等气象情况影响，始终保证全天空摄像系统视野清晰无障碍。加热模块采用高级的电路板方式设计，在电路板中加入了温控芯片、感温探头以及低发热片阵列。该设计较之传统的电阻加热线式方案，有着更好的温度控制精度、低热辐射、发热均匀等特点，更适合于精密摄像系统的加热方案。2.5 驱鸟装置由于在全天空摄像系统实际使用过程中，遇到了诸如落鸟及鸟粪污染问题，所以在摄像头防护罩外侧加装了配套的驱鸟装置。其主要由金属底座与三根金属长条构成，并整体涂装为对鸟类有驱逐作用的亮红色。经实践表明，该驱鸟装置可以有效地防止鸟类降落在防护罩上，并预防鸟类粪便对于防护罩的污染。对于三根红色金属条引入的视觉影响，鉴于其颜色明显地有别于天空和云层色彩光谱，所以可以有效地在后续计算机视觉模型中加以处理。经过宁夏光伏发电现场27台全天空摄像设备历时两个月的考察，发现设备上的落鸟现象基本消除。该驱鸟装置以一种低成本、高可靠性的方式排除了现场鸟类降落对于设备的干扰。2.6 全金属底座全金属底座尺寸可以完好地配合防护罩直径，并且通过高强度防水胶进行封装，达到了极高的防水标准。同时，金属底座材质稳固，可以适应现场多变的天气状况。此外，金属材质与系统支撑杆连接构成了接地导体，可以有效地防止雷击并屏蔽光伏现场较为强烈的电磁辐射。3 全天空摄像装置图像采集与处理结果经过一系列组装、安装与校对工作，并根据现场获取的实际全天空图像，通过将业界最高标准的全天空作为对比标准，对摄像模块参数进行优化调整，最终得到高精度的图像结果。在现场获取的全天空图像，天空穹顶完整可见，视野无遮挡。精确图像采集结果，为后续计算机视觉任务提供了坚实的数据资源基础。在现场采集图像基础上，展示了深度学习模型方法识别云层覆盖率结果。此外，通过在同一现场不同距离下部署多台全天空摄像系统，可以利用同一时间采集多幅高精度全天空图像进行云层三维重建工作。同时，利用同一地点、固定时间间隔采集全天空图像，还可以进行云层光流分析，从而进一步预测云层的形变与移动情况。4 结语通过分析宁夏高沙窝现场采集的2022年第一季度发电量数据，可以得出结论：采用了阵列式全天空摄像系统加人工智能模块的跟踪式光伏发电方阵，较之传统跟踪式发电方案，可以在每个月度以及大部分单日稳定地提升发电量，分别实现了2.63%、8.05%和2.80%的月度发电量提升。参考文献1 张博.自动跟踪式光伏发电系统研究D.重庆：重庆大学,2019.2 谢卿.太阳能光伏系统的自动跟踪式装置D.上海：华东理工大学,2019.3 侯鹏飞,印江.自动跟踪型独立式光伏发电系统的设计J.电力学报,2014,29(01):70-72.4 安伦,郭献崇,谢芳.自动跟踪式独立光伏发电计算机监控系统设计J.电源技术,2013,37(03):450-451.5 冯月芹,陈义.基于图像处理的光伏发电自动跟踪控制系统J.单片机与嵌入式系统应用,2018,18(11):75-79.