一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统及方法与流程

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，特别是一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统及方法。

背景技术：

由于太阳能资源分布，我国集中式光伏电站大多分布于西北、华北和东北(“三北”)地区，但“三北”地区又是典型的风沙大、扬尘多的缺水或少水地带，光伏发电系统长期运行后其电池板面覆盖灰尘形成积灰，积灰降低光伏玻璃透光率将导致巨大的经济损失。光伏电池板表面积灰严重将会对光伏发电系统的安全运行带来多重危害，积灰破坏了光伏电池板热平衡，导致板面局部过热产生“热斑效应”，减少光伏电池板使用寿命；积灰累计增加造成光伏发电预测系统误差，影响预测系统精度及安全经济并网。因此，及时准确的判断光伏电池板表面积灰厚度的变化，对大型光伏电站光伏电池板智能清洗、高效运行和经济运维具有重要的指导意义。

然而，光伏电站现场普遍依据运维人员的经验和人工观测方法来定性分析积灰状态，部分智能化程度较高的光伏电站采用高清图像识别分析的方法代替肉眼进行观测，虽然提高了检测效率，但对于光伏板积灰厚度的直接测量结果无法达到精确定量评估，从而对现场运维指导造成一定误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统光伏电池板积灰厚度检测精度的不足，提供一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统及方法，借助电容检测法响应速度快、识别精度高等特点，克服人工巡检及图像分析过程中出现的检测不及时、检测误差较大等问题，实现对光伏板积灰厚度的精确识别与定量评估，以解决上述技术背景中所提出的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统，包括测量系统和吹灰系统，所述测量系统包括积灰模拟平台、滑轨、电容数字转换器、上位机以及电子显微测距仪，所述滑轨包括两根y轴滑轨和一根x轴滑轨，所述两根y轴滑轨分别通过支架固定于积灰模拟平台的左右两侧，所述x轴滑轨通过滑块滑动连接在两根y轴滑轨之间，x轴滑轨上还滑动连接有位置调节器，位置调节器前端固定安装由电容传感器探头，所述电容数字转换器与电容传感器探头电连接，所述电子显微测距仪和电容数字转换器通过数据通讯总线与所述上位机电连接；

积灰模拟平台包括盖板、屏蔽罩以及绝缘保护外壳，所述盖板包括eva胶膜、钢化玻璃面板以及电容铜箔极板，所述eva胶膜、钢化玻璃面板以及电容铜箔极板从上至下贴合安装在屏蔽罩上，屏蔽罩贴合安装在绝缘保护外壳上；

所述吹灰系统包括吹灰风机、送灰器以及送灰通道，所述送灰器包括进灰端、进风端以及送灰通道9，所述进灰端和进风端分别与所述送灰通道连通，所述吹灰风机设置在进风端，送灰通道的出口设置在积灰模拟平台的正上方。

进一步的，所述电容传感器探头包括探头绝缘保护外壳，探头绝缘保护外壳内设有探头极板屏蔽罩，探头绝缘保护外壳和探头极板屏蔽罩内分别设有环氧树脂绝缘层，探头绝缘保护外壳还设有ptfe绝缘防护涂层，探头极板屏蔽罩内设有探头电极板，探头电极板连接有数据屏蔽线。

进一步的，所述x轴滑轨和位置调节器上分别设有伺服电机，所述上位机通过rs485通讯连接的方式与所述伺服电机连接，并控制x轴滑轨沿y轴方向来回滑动以及位置调节器沿x轴方向来回滑动。

进一步的，所述屏蔽罩和绝缘保护外壳的一侧设有过线孔。

进一步的，所述两根y轴滑轨上设有防尘保护罩，所述防尘保护罩设有防尘毛刷帘。

进一步的，所述送灰器的进灰端上设有截止阀。

一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的方法，其所述测量方法包括以下步骤：

s1、采集被测环境灰样，利用吹灰系统模拟环境自然落灰现象，定时、定量在积灰模拟平台表面形成积灰厚度随时间连续变化的灰垢层；

s2、通过上位机5控制x轴滑轨以及位置调节器滑动，利用电容传感器探头分时、多点对积灰模拟平台进行电容值检测，同时，利用电子显微测距仪对积灰模拟平台的积灰厚度值进行多点测量；

s3、将对积灰模拟平台测量的电容值和厚度值输入上位机进行线性拟合，获取标定数据曲线，对积灰样本重复多次实验来获取准确的标定结果，将最终优化结果保存作为现场电容法积灰厚度测量对比数据库；

s4、将测量系统安装于现场测量环境下，保证积灰模拟平台的安装高度、角度及位置与现场光伏电池板保持一致，测量时，利用上位机控制x轴滑轨以及位置调节器14滑动，进而控制电容传感器探头15对光伏电池板积灰模拟平台进行多点、动态、连续测量，并在上位机5显示输出结果动态曲线。

进一步的，在步骤s1中，所述吹灰系统对积灰模拟平台进行落灰过程中，每运行一固定时间，停机检测积灰模拟平台的电容值和积灰厚度值，防止吹灰系统运行过程中，测量系统检测结果存在延时检测误差。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统及方法，利用电容法测量模拟平台积灰厚度，较传统人工巡检、图像识别及时间预测等方法，具有更高的检测精度及更快的响应速度，对电站清洗维护优化、高效安全并网等智能化运维发展具有重要的指导意义，本发明通过先采集被测环境灰样，再利用吹灰系统模拟环境自然落灰现象，定时、定量在积灰模拟平台表面形成积灰厚度随时间连续变化的灰垢层，测量积灰模拟平台随灰垢层变化的电容值，再对积灰模拟平台的积灰厚度值进行多点测量，将测量的电容值和积灰厚度值输入上位机进行线性拟合，获取标定数据曲线作为现场光伏电池板电容法积灰厚度测量对比数据库，检测系统模拟现场光伏电池板安装布设特点和材料表面特性进行设计，最大程度反应现场实际光伏电池板积灰厚度，进而作为对照平台来直接、快速反应出光伏电池板的积灰厚度值。

附图说明

图1为本发明基于电容法的光伏电池板积灰厚度测量方法整体方案图；

图2为本发明基于电容法的光伏电池板积灰厚度直接测量的装置结构图；

图3为本发明积灰模拟平台分解图；

图4为本发明电容传感器探头剖面图；

图5为本发明测量方法具体步骤流程图；

图6为本发明实电容传感器探头与积灰模拟平台中构成的平行板电容器的结构图。

图中，1-测量系统，2-电子显微镜测距仪，3-电容数字转换器，4-数据通讯总线，5-上位机，6-吹灰风机，7-截止阀，8-送灰器，9-送灰通道，10-积灰模拟平台，11-滑轨，12-防尘保护罩，13-防尘毛刷帘，14-位置调节器，15-电容传感器探头，16-eva胶膜，17-钢化玻璃面板，18-电容铜箔极板，19-屏蔽罩，20-绝缘保护外壳，21-过线孔，22-绝缘保护外壳，23-探头极板屏蔽罩，24-数据屏蔽线，25-环氧树脂绝缘层，26-探头电极板，27-ptfe绝缘防护涂层。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1：

一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的系统，请参阅附图1-附图4所示，包括测量系统1和吹灰系统，所述测量系统包括积灰模拟平台10、滑轨11、电容数字转换器3、上位机5以及电子显微测距仪2，其特征在于，所述滑轨11包括两根y轴滑轨和一根x轴滑轨，所述两根y轴滑轨分别通过支架固定于积灰模拟平台10的左右两侧，所述x轴滑轨通过滑块滑动连接在两根y轴滑轨之间，x轴滑轨上还滑动连接有位置调节器14，位置调节器14前端固定安装有电容传感器探头15，所述电容数字转换器3与电容传感器探头15电连接，所述电子显微测距仪2和电容数字转换器3通过数据通讯总线4与所述上位机5电连接；

积灰模拟平台10包括盖板、屏蔽罩19以及绝缘保护外壳20，所述盖板包括eva胶膜16、钢化玻璃面板17以及电容铜箔极板18，所述eva胶膜16、钢化玻璃面板17以及电容铜箔极板18从上至下贴合安装在屏蔽罩19上，屏蔽罩19贴合安装在绝缘保护外壳20上；

所述吹灰系统包括吹灰风机6、送灰器8以及送灰通道9，所述送灰器8包括进灰端、进风端以及送灰通道9，所述进灰端和进风端分别与所述送灰通道9连通，所述吹灰风机6设置在进风端，送灰通道9的出口设置在积灰模拟平台10的正上方。

所述电容传感器探头15包括探头绝缘保护外壳22，探头绝缘保护外壳22内设有探头极板屏蔽罩23，探头绝缘保护外壳22和探头极板屏蔽罩23内分别设有环氧树脂绝缘层25，探头绝缘保护外壳22还设有ptfe绝缘防护涂层27，探头极板屏蔽罩23内设有探头电极板26，探头电极板26连接有数据屏蔽线24。

所述x轴滑轨和位置调节器14上分别设有伺服电机(图中为示出)，所述上位机5通过rs485通讯连接的方式与所述伺服电机连接，并控制x轴滑轨沿y轴方向来回滑动以及位置调节器14沿x轴方向来回滑动，具体来讲，上述通过上位机5控制x轴滑轨沿y轴方向来回滑动以及位置调节器14沿x轴方向来回滑动的方式与现有技术中数控切割机中控制切割倒刀头的方式一致，所以本实施例中不对上位机5控制方式做进一步说明。

上述实施例中，所述屏蔽罩19和绝缘保护外壳20的一侧设有过线孔21。

上述实施例中，所述两根y轴滑轨上设有防尘保护罩12，所述防尘保护罩12设有防尘毛刷帘13，用于电容传感器探头15不检测时，对积灰模拟平台10和电容传感器探头15进行保护，防止灰尘污染检测探头，影响测量精度。

上述实施例中，所述送灰器8的进灰端上设有截止阀7，截止阀7用于控制送灰器8的进灰端的开启和关闭。

实施例2：

一种基于电容法测量光伏电池板积灰厚度的方法，请参阅附图5所示，其测量方法包括以下步骤：

s1、采集被测环境灰样，利用吹灰系统模拟环境自然落灰现象，定时、定量在积灰模拟平台10表面形成积灰厚度随时间连续变化的灰垢层；

s2、通过上位机5控制x轴滑轨以及位置调节器14滑动，利用电容传感器探头15分时、多点对积灰模拟平台10进行电容值检测，同时，利用电子显微测距仪2对积灰模拟平台10的积灰厚度值进行多点测量；

s3、将对积灰模拟平台10测量的电容值和厚度值输入上位机5进行线性拟合，获取标定数据曲线，对积灰样本重复多次实验来获取准确的标定结果，将最终优化结果保存作为现场电容法积灰厚度测量对比数据库；

s4、将测量系统安装于现场测量环境下，保证积灰模拟平台10的安装高度、角度及位置与现场光伏电池板保持一致，测量时，利用上位机5控制x轴滑轨以及位置调节器14滑动，进而控制电容传感器探头15对光伏电池板积灰模拟平台进行多点、动态、连续测量，并在上位机5显示输出结果动态曲线。

上述实施例中，在步骤s1中，所述吹灰系统对积灰模拟平台10进行落灰过程中，每运行一固定时间，停机检测积灰模拟平台10的电容值和积灰厚度值，防止吹灰系统运行过程中，测量系统1检测结果存在延时检测误差，具体的，因为测量系统1测过程均需要一定的时间，吹灰系统的持续运行，将造成积灰厚度随时间线性增加，进而造成电容值和积灰厚度值因测量时间延误出现偏差，所以吹灰系统每运行一固定时间，优选为30s-60s，关闭送灰器8的进灰端上的截止阀7，待检出此时积灰模拟平台10的电容值和积灰厚度值后，再开启截止阀7进行吹灰操作。

实施例3：

电容传感器探头15内的探头电极板26与积灰模拟平台10中的电容铜箔极板18构成的平行板电容器，积灰模拟平台10上随积灰厚度信息变化的电容值经电容传感器探头15检测，并输出至电容数字转换器3将电容信号转化为数字信号，再由数据通讯总线4传输至上位机5进行处理，将探头电极板26与和电容铜箔极板18之间的变化的微电容信号换算为积灰厚度信息显示，测量原理结构模型参阅附图6所示，具体的，积灰厚度的数值计算模型表达如下：

电容传感器探头15与积灰模拟平台10的间距为δc，钢化玻璃面板17厚度为δg，eva胶膜16的厚度为δe，ptfe绝缘防护涂层27厚度为δp，积灰厚度为δf，则该平行板电容器电容c与积灰厚度df的之间的函数关系表达式为：

式(1)中，cg为钢化玻璃面板17等效电容，ce为eva胶膜16等效电容，cf为积灰层等效电容，ca为空气间隙等效电容，cp为ptfe绝缘防护涂层27等效电容；该平行板电容器电容c可视为多层不同介质的电容并联。将式(1)按照电容计算的基本公式(2)进行展开得：

式(2)中，真空介电常数ε0＝8.85×10^-12f/m，下同。

式(3)中，εg为钢化玻璃面板17相对介电常数，εe为eva胶膜16相对介电常数，εf为积灰层介质相对介电常数，εa为空气层相对介电常数，εp为ptfe绝缘防护涂层27相对介电常数，s为相对极板的有效测量面积。

由于测量装置在设计制作完成后，所有材料位置、属性等均已确定，式(3)平行板电容器电容c的表达式中，唯一变量为积灰厚度δf，因此，另式(3)中：

则，将式(4)代入式(3)化简得：

另式(5)中：

其中，a、b均为常量，且大于0，则该平行板电容器电容c与积灰厚度δf的之间的函数关系为：

在上述实施例2的步骤s3中，积灰模拟平台10测量的电容值和厚度值输入上位机进行线性拟合，是借助最小二乘法来获得最佳线性回归直线；使用拟合优度的一个统计量，即r²来衡量回归直线对观测值的拟合程度，r²的范围为[0,1]，其值越接近1，表示回归直线对观测值的拟合程度越好。

式中，ssr(regressionsumofsquares)为回归平方和，sst(totalsumofsquares)为总平方和，sse(errorsumofsquares)为残差平方和。

综上，本发明通过先采集被测环境灰样，再利用吹灰系统模拟环境自然落灰现象，定时、定量在积灰模拟平台10表面形成积灰厚度随时间连续变化的灰垢层，电容传感器探头15分时、多点对积灰模拟平台10进行电容值检测，电子显微测距仪2对积灰模拟平台10的积灰厚度值进行多点测量，将测量的电容值和积灰厚度值值输入上位机5进行线性拟合，获取标定数据曲线作为现场电容法积灰厚度测量对比数据库，最后将现场测量到的电容值来快速、直接反应出光伏电池板的积灰厚度值，较传统人工巡检、图像识别及时间预测等方法，具有更高的检测精度及更快的响应速度，对电站清洗维护优化、高效安全并网等智能化运维发展具有重要的指导意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。