浅谈无人机在光伏电站上的应用

一、无人机承担光伏电站运维的大趋势
无人控制飞行器(UAV),又称无人机。未来,无人机将能够承担大型光伏电站的此类维护工作,而且将比开着车或是直升机的运维人员成本低很多。随着光伏应用经验日益成熟和装机规模的显著提升,光伏行业将逐渐呈现出“存量”特性,意味着更多的资源将投放在精致化建设和运行维护上。从这个方面来看,无人机在光伏领域已经到了爆发性发展运用的“前夜”。特别是近年来,从国家能源主管部门到地方政府更加重视光伏电站的建设质量和维护能力,在一些国家能源示范基地和地方扶贫项目上,明确提出了建设和维护定量化指标。光伏电站本身的资产属性,也要求对资产进行增值保质。而实现光伏电站最大化收益的前提就是要保证光伏电站在其生命周期内的高效精准的运维。因此需要结合更多的精准化设备参与光伏电站的运维活动,这也是行业内生逻辑所决定的。

浅谈无人机在光伏电站上的应用的图1

以光伏电站为例,光伏电站传统的维护方式主要以人力为主,辅以监控系统。虽然可以在后台监控系统中实现对主要发电参数和气象数据的监控,但主要的现场巡查还是以人力为主。并且由于光伏电站设备多,分布广,为防范环境因素和设备故障导致的事故,日常性巡检是光伏电站运维管理中重要的环节,也是运维管理活动中最耗时耗力的工作。因此,当前应用在光伏电站的无人机多集中在电站运维方面。无人机立体化、高程作业的方式有效适应了光伏电站分布广,应用类型多样的特点,在一定程度上节省了人力,提高了运维效率。
想象一下,公用事业级规模的集中式光伏电站,占地上百亩,组件成千上万块。一群个头小巧的飞行机器人不停地上下飞舞,就像花丛中的小m蜂。它们并不是采蜜,而是采集数据。它们检查某块电池板上有多少灰尘;或是发现那些由于草木茂盛而可能产生阴影遮挡的区域;或是控制室发现了一些难以解释的异常,于是它们倾巢而出,四处调查原因。  

浅谈无人机在光伏电站上的应用的图2

二、使用无人机的优势
1、成本低廉
无人机成本低廉,事实上它是全新的数据驱动的光伏电站预防性维护的最佳选择,也是寻找最佳屋顶资源的理想工具。
正是由于这些优势,First Solar和Solar City等光伏企业早在几年前就已开始测试无人机系统,将其作为潜在的业务实现工具。但无人机作为大规模商用的工具还需要解决一系列联邦和州级别的航空监管问题。比如,在公共和私人区域,其许可的飞行时间、区域和高度等,以及禁止无人机飞出“操作者视界”等规则。
今天的无人机系统能够执行一系列光伏相关的任务,包括(组件、线缆及其他部件)视觉成像、红外热成像以及植被监测,并且在所有方案中成本最低。根据几年前的数据,租用无人机一年的费用在2.5~10万美元之间。
无人机将取代车辆、人员、燃油等诸多成本,节省与派出人员检查站点相关的其他成本。据GTM Research估算,根据燃油成本和距离的不同,出车一次的成本在300~600美元。

浅谈无人机在光伏电站上的应用的图3

无人机飞行的电池成本相对固定,而车辆人员属于变动成本,运维供应商承担这些费用,成本的约束将使他们只去关注那些有利可图的问题。
传统的预防性维护手段是采用定期检查的方式来防范重大问题和事故。这是一项费时费力费钱的工作。对于大型电站来说,高频次综合性的检查在成本上就不可行。
在此种压力下,运维商考虑的是检查成本与问题潜在风险之间的平衡。换言之,光伏电站都在“潜在问题可能造成的损失”与“发现问题的成本”之间纠结。有了无人机,运维成本大幅度降低,这一僵局即告破解。
2、神通广大
低空飞行的无人机在发现电站光伏板的问题中可以完成很多复杂的任务。像龟裂、蜗牛纹、损坏、焊带故障等问题都能够发现。使用无人机系统,像污点和植被遮挡这类问题更是不在话下。 无人机还可以使用热成像技术,来查看哪些区域温度过高,影响组件的效率。为无人机编排频繁而规律的“巡逻”任务,比雇佣直升机(如今这还是主流解决方案)要便宜得多。 无人机还能够监测汇流箱、接线盒、逆变器等电子设备的温度,来预防可能发生的电气系统问题。 

浅谈无人机在光伏电站上的应用的图4

无人机还有个强项——可以瞬间采集多种不同的数据,实时精确地锁定问题位置的地理坐标。这种多类型数据采集的能力还支持GPS标注、视觉成像、激光测距脉冲雷达成像,甚至还可以对可见光波长以外的光信号进行探测。
当这种彼此相关的多维度数据源源不断地传送到控制中心,传统的运维模式和流程将获得脱胎换骨的升级,光伏系统问题的诊断和判别效率将极大提升。未来,无人机系统将更加强大,通过模式识别和变化检测技术,提供更为经济便捷的预防性方案,全方位监控电站的“健康”状况,进一步优化运维响应。
Solar City拥有众多光伏电站业务,从员工安全和经济成本的角度考虑,公司特别把无人机系统作为前端销售工具。使用无人机进行屋顶评估,或协助建设3D点云,以模拟建设评估模型等。
Solar City从去年开始就开始试用Skychtch的无人机。据称,无人机使其屋顶监测效率提升了一倍,并且比人工方法更加精确。
三、延缓无人机在光伏中大规模部署的因素
尽管具有众多优势,一些其他方面的因素延缓了无人机系统在大型集中式光伏电站的大规模部署。
1、显而易见的是监管因素。 目前在美国,人们想要开展无人机飞行相关的业务,需要获得联邦航空署(FAA)的特别许可,这项许可目前还采取逐案审批的制度。 最初的审批流程非常慢。在2014年9月~2015年3月期间递交的684份申请中,只有48份获得通过,仅7%。不过,在2015年3月和4月的两项精简流程执行后,审批速度得以加快——迄今为止,获得通过的申请已超过1400份。更大的改制正在酝酿,FAA正在制定通用的无人机系统监管框架,2017年初出炉。

2、无人机技术难题:自主飞行。这将解决长期困扰无人机的商业可行性问题——自主飞行。在当前的FAA许可中,无人机不能脱离操作者的视界,这极大限制了无人机的使用范围和潜力。自主飞行还需要两项新技术。其一是感知-规避技术,它使无人机就算因故脱离了操作者的控制,也不会撞上其他东西。该技术十分复杂,连NASA也参与其中,提供了碰撞避免的技术验证,并展示了FAA用以制定监管规则的“自我隔离”技术。

3、无人机技术难题:超视距飞行。飞行器在操作者视界以外的控制问题更为棘手,它包括“无人机与操作者可能的通信中断”,以及“可能导致无人机坠毁或伤人的导航设备失灵”等。迄今为止,FAA关于“操作者视界外无人机”的研究尚处在早期阶段。San Diego燃气电力、Commonwealth Edison等公用事业公司也在积极试用无人机,来检查其电力传输线路。目前他们同样受到“操作者视界”规则的限制。由于这一限制,目前还不能对无人机用于光伏电站运维的成本收益影响作出精确的评估。

四、应用前景
结合光伏电站的生命阶段,无人机还可以发挥出更多的运用效应。一般认为光伏电站的生命期至少为25年,按照其主要的历程可以分为设计阶段,建设阶段和运维阶段,以一个20MW规模的地面电站为例,一般其设计阶段和建设阶段需要6个月左右,运维阶段基本覆盖整个生命周期。
1、设计阶段
光伏电站的设计阶段主要是对项目进行可行性研究,项目勘查、测绘,设备选型,系统设计,外送线路规划等。
目前主要的现场工作还是依靠人力进行。因为多数场区初期基本不具备通行条件,大部分的勘查和测绘工作只能靠人员徒步进行,效率非常低下。特别是在地貌情况复杂的电站中,仅是场区内通行就需要花费很大的精力。像大同领跑者基地,该基地是在挖煤沉陷区上实施的规划,由于沉陷区分布的无序性,很多电站被分隔成十几个小区域,最远区域相隔达十几公里,区域内由于地势险恶,车辆无法通行。按照传统人力勘探作业,每天用于通行的时长占据了绝大部分的工作时间,显著增加了工作周期,而且地势的复杂性也容易造成作业的失误。
无人机具备的高程作业方式,显然可以规避此类影响。且大部分的无人机具备航迹规划的功能,配合3D建模的数据处理软件,完全可以实现精准化测绘。不仅可以大幅度提高测绘效率,还可以提高精度,建立立体化的测绘模型。精准化的模型不仅有助于实现科学的设计,还可以更加精确的规划场区线路,建立更为可靠的发电量预测模型,在提高系统发电效率的同时,也可以降低成本的投入。
2、建设阶段
建设期是光伏电站生命周期中重要的阶段,在建设期内,不仅要实现设计意图,还要保证建设成果可以满足光伏电站的长期运行需要,要求建设单位投入更多的时间和资源用于光伏电站的建设期。但因我国实行的“度电补贴”的政策,即上网电价与当年度补贴政策挂钩,一般是逐年递减,且为避免出现项目延期的现象,一般年度的结点设置为当年度的6月30日、12月30日等。这就要求建设单位必须在规定时间内实现并网。而一般的光伏电站项目从立项,设计,设备选型、采购等前期性工作都需要接近3~4个月,挤压了建设时间。出现行业性赶工现象,产生了赶工期建设性问题。
为最大限度的降低赶工造成的不规范现象,需要项目管理人员加强对现场施工的管理,及时对不合规现象进行纠正。但一般的光伏项目所配置人员非常有限,在管理职责外还要承担其他工作,并不能实时对场区施工情况进行监控。无人机所拥有的高效监控方式,可以有效的对现场实时施工情况进行反馈。一些无人机具有长距离实时图像能力,可以让管理人员足不出户就实现对现场建设情况的监控,且可以通过无人机随时对现场不规范现象进行取证,有利于后期问题的解决。
3、运维阶段
运维工作贯穿于整个光伏电站生命周期,是保证光伏电站达到预期效益的重要手段。随着光伏电站的发展,运维工作呈现出“无人化,智能化,集中化”的特点,在运维活动中引入无人化,智能化设备正成为光伏电站的必要选择。
国内光伏电站对于无人机的应用还处于起步阶段,在欧洲和日本应用相对成熟。目前主要在替代或提高人工巡检效率方面发挥作用,并没有完全发挥无人机的全部效应。无人机具有飞行平台固定,负载多样的特点,可以在有限投入的情况下增加无人机的多项功能。如目前大多数的无人机在光伏电站中执行可视化缺陷和红外热成像排查,一般是在飞行中采集数据再反馈至后台,由人工处理。而光伏电站的很多缺陷现象是一个系统性,动态的结果,与当时的辐照,环境温度,发电设备的工作状态密切相关,一个参数的变动可能会改变最终的成像结果。如果无法实时进行缺陷识别,很有可能造成结果的滞后,或者出现现场复核结果的不一致,给运维人员错误信号,导致误判。因此需要无人机具备在线缺陷识别和缺陷定位的能力,及时准确的将故障现象和坐标反馈至运维人员,实现发现问题与处理问题的无缝连接。
除加强故障识别能力外,还可以结合光伏电站的运行特点,扩展无人机在光伏电站中处理能力。可以通过软件算法实现无人机对于故障的预判,如对光伏组件存在的局部遮挡或表面累积的灰尘量超限进行预警等。还可以融入电站的安防体系,利用无人机机动性,快速的驱赶非法闯入者。
无人机还可以扩大兼容性,能够在人工不干预的情况下,自主与电站监控系统进行通信,在系统发出故障诊断信号后能够自主飞行,自主查证故障。
旋翼类无人机可以尝试进行在线隐裂检测(EL测试),光伏组件的隐裂检测是光伏电站质量控制的不可或缺的环节,也是光伏电站必要的检测项目。现行的隐裂检测主要依靠传统的相机加三脚架的形式进行,测量范围受电站类型限制,特别是水上电站,农业大棚型电站,山地型电站,因地貌特殊,很难实现在线测量,这也是光伏行业性难题。而如果采用无人机高空作业的方式,则可以有效克服地貌的障碍,不仅可以解决测试难的问题,也可以大幅度的提高检测效率,降低检测成本。
与传统成熟能源行业相比,光伏还是个年轻的行业,在发展中有许多问题亟待解决。光伏持续爆发式的增长的背后蕴藏着巨大的商业机遇。如何撬开这个行业的大门,需要无人机行业人员改变思路,深度的了解光伏行业,把握光伏行业发展路线,切合实际需求,提供针对光伏电站的无人机解决方案,这样才能实现光伏行业与无人机行业的协调健康发展。
目前市面上,已知比较有名的光伏无人机解决方案有:

1、深圳市大疆创新科技有限公司无人机光伏应用方案;

2016年5月24至26日,大疆在上海举办的SNEC国际太阳能产业及光伏工程展,推出大疆为光伏行业所定制的测绘、测温、自动巡检等光伏行业解决方案。这是大疆在全球范围内首次参加行业级展会,并针对性推出行业级解决方案。大疆展出精灵Phantom系列、“悟” Inspire 1系列、经纬 M100及M600四个飞行平台以及禅思X3、X5、XT三款模块化航拍相机。此外,整合了自动飞行规划、空中红外测温、快速三维建模等专业软件功能,推出分布式电站屋顶勘测、分布式电站运维、集中式电站前期勘测、集中式电站后期运维四套解决方案。
2、上海伯镭智能科技有限公司的无人机光伏应用方案;

目前,在光伏无人机领域,上海伯镭智能科技有限公司的伯镭云系统已经运用的相对成熟。除了续航时间长,还能通过人工智能图像识别系统快速发现故障点,并且对故障点的实时监控和定位。

3、广西景航无人机有限公司的无人机光伏应用方案;

景航无人机智能巡检诊断系统,基于可搭载热红外成像相机和可见光成像相机的无人机,采集光伏组件发电运行数据信息,针对光伏电站幅员辽阔,地形起伏等特点,利用图像处理技术和光伏组件故障检测技术,自主研发国际最新的图像处理算法,结合摄影测量技术,实现自动探测组件灰尘、污垢、裂痕、遮挡、发热等异常情况,通报异常详情及精确位置信息,是光伏电站高效的、智能化的、组件级巡检诊断工具。

4、北京金鸿泰科技有限公司的无人机光伏应用方案;
以光伏电站故障智能诊断知名企业金鸿泰为例,该公司近年来一直致力于用包括智能无人机在内的先进技术开拓光伏电站的高效智能化运维,其研发的无人机智能巡检诊断系统成功验证了无人机巡检应用于光伏电站的可行性,在智能无人机光伏电站巡检领域的开发应用已经进入试验阶段。
行业专家认为,智能无人机在光伏电站巡检中可运用性的验证,必然会在业内掀起一波针对智能无人机的投资狂澜。可以预见的是,随着技术的完善,无人机将在光伏电站运维中实现更多的功能,成为光伏电站合格的侦察兵。
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