激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置及测量方法与流程

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1.本发明属于光伏板积灰检测技术领域，涉及一种使用光源扫描技术、光源调制技术的扫描式大范围、高精度激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置及测量方法。


背景技术：

2.随着技术的进步，光伏发电的成本快速下降，太阳能已成为增长最快的清洁能源。但在光伏发电系统研究中，除板面材料、转换效率等与材料相关的特性之外，光伏板表面积灰及其影响也是一个不容忽视的问题。在光伏板表面沉积的灰尘对太阳光具有反射和吸收作用，会降低太阳光的透射率，导致光伏板接收到的太阳辐射能量减少、输出功率下降。且会因为光伏板表面积灰引起光伏面板的局部温度升高与腐蚀，导致其光电转化效率下降，使用寿命减少等问题，以至于每年将造成巨大的经济损失。
3.为了解决光伏板积灰导致的光伏发电站发电效率降低的问题，检测光伏板积灰量是解决问题的首要目标。但市场上现存的光伏板积灰测量装置需要长时间安装至光伏板旁，存在检测时间长，无法实时检测光伏板积灰等问题；而基于单点测量积灰散射的装置虽然可以实现被测点高精度的散射光测量，但难以实现对小片区域的灰尘散射光测量；而成像测量易受背景光干扰，精度较低；机械推扫测量效率低，体积大，造价高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置及测量方法，其克服了现有技术中存在的测量周期长、测量精度低、无法直接反应光伏板积灰状态的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置，其特征在于：包括主控单元，主控单元与激光照明组件连接，激光照明组件后依次设置有通过光纤连接的光纤选通器、分光器、声光偏转组件和光伏板，分光器并与光电探测组件一连接，光电探测组件一与主控单元连接，光伏板一侧设置有光学系统，光学系统与光电探测组件二连接，光电探测组件二与主控单元连接，声光偏转组件与超声波驱动电路连接，超声波驱动电路与主控单元连接。
7.声光偏转组件包括y轴偏转的声光晶体一，在声光晶体一的出射面耦合有准直器件一，声光晶体一出射面一侧设置有x轴偏转的声光晶体二，声光晶体二的入射面设置有入射光耦合器件，声光晶体二的出射面设置有准直器件二，声光晶体一和声光晶体二分别与超声波驱动电路连接。
8.一种采用激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.a)主控单元输出驱动信号使照明组件中的半导体激光器产生功率稳定的调制光信号；
10.b)半导体激光器产生的调制光经由光纤传导进入光纤选通器，主控单元控制光纤
选通器选择出射光的波长；
11.c)由光纤选通器输出光线通过分光器将光信号分为两束，一束光经由光纤传输至光电探测组件一作为参考信号；
12.d)另一束光经由光纤传输至声光偏转组件处，通过主控单元调节声光晶体的驱动频率使出射光发生偏转，实现对光伏板的扫描；
13.e)反射光线通过光学系统汇聚后经由光纤传输至光电探测组件二；
14.f)主控单元通过步骤c)和e)中采集得到的数据，计算激光功率的衰减率从而反映光伏板表面积灰散射率分布并进行显示。
15.步骤d)中：
16.通过主控单元调节驱动信号的频率精细的控制声光晶体出射光的偏转，并通过两块相耦合的声光晶体实现对光伏板被测区域的二维扫描，扫描方式其位移角与驱动信号频率之间的关系如下式(1)所示：
[0017][0018]
式中δθ为光线的偏转角度，λ为入射光线的波长，n为声光晶体的折射率，vs为超声波在介质中的传播速度，δfs为超声波频率的变化值；
[0019]
在声光晶体出射面耦合一准直器件，使出射光角度偏转变为出射光位置偏转，保持出射光角度一致。
[0020]
步骤c)和e)中：
[0021]
两束光分别被光电探测组件一和光电探测组件二所接收，对采集的信号进行相关检测处理和归一化处理，抑制激光功率波动引起的能量比变化，消去由于环境光、温度变化和电学信号漂移带来的测量误差，表现为下式(2)：
[0022][0023]
式中φ0(λ)为光电探测器一光敏面接受的光通量，φ1(λ)为光电探测器二光敏面接受的光通量，s(λ)为探测器的灵敏度，u0(λ)为参考电压，u1(λ)为测量电压；根据光电探测器二所得测量电压，得到其与激光器光功率之间的损失值，通过光损失与光伏板积灰密度间的关系，从而间接反映光伏板表面积灰密度。
[0024]
本发明利用散射光强的大小与积灰量相关，对光伏板一定的二维区域进行快速激光扫描，同步探测散射光或漫反射光光强的变化从而间接获取光伏板积灰量的变化。同时对光源进行调制并利用相关检测技术实现高精度的测量。与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
[0025]
1、本发明通过声光晶体实现对光伏板被测区域的二维扫描，相比传统的放置型积灰量检测装置，通过测量照射在光伏板表面的光损失量，得到光伏板表面的积灰量，因此测量周期短、效率高；相比传统单点测量，由于引入了声光晶体实现对光伏板被测区域进行二维扫描，因此扫描区域更大，与积灰量的相关性更强；相比成像测量，由于对光电探测器的输出信号进行相关检测处理，因此系统抗干扰能力更强；相比机械推扫测量，声光晶体使光线发生偏转的扫描方式，有着测量效率高、位移误差小的优点，在同等测量时间下，样本量更大，精度更好。
[0026]
2、本发明通过引入参考组探测组件，实现了对信号的归一化处理，从而抑制了激光功率波动、温度变化和电学信号漂移所带来的测量误差。
[0027]
3、本发明装置的扫描与测量过程均为全自动进行，避免了人工测量中调整光源、各光学元件位置所导致的测量误差；且系统使用声光晶体而非机械位移组件完成二维扫描，避免了机械位移带来的振动、齿轮空程误差等问题，提高了系统的测量精度
[0028]
4、本发明的检测方法可行、简单、操作简便，且抗背景光干扰能力强，扩展了装置的应用场景。
附图说明：
[0029]
图1为本发明的原理图；
[0030]
图2为本发明声光晶体偏转光路的示意图；
[0031]
图3为声光晶体偏转扫描方式的示意图。
[0032]
图中，1-主控单元；2-照明组件；3-光波分复用器；4-分光器；5-声光偏转组件；6-光伏板；7-光电探测组件；8-光学系统；9-光电探测组件；10-超声波驱动电路；11-声光晶体一；12-准直器件一；13-入射光耦合器件；14-声光晶体二；15-准直器件二。
具体实施方式：
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
本发明为一种激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置，参见图1，装置由主控单元1、激光照明组件2、光纤选通器3、分光器4、声光偏转组件5、光伏板6、光电探测组件一7(参考)、光学系统8、光电探测组件二9(测量)和超声波驱动电路10组成。照明组件由不同波长的若干半导体激光器构成，声光偏转组件由两块相耦合的声光晶体与其驱动电路组成，光电探测组件由光电探测器、前置放大电路和a/d转换器组成，主控单元1负责激光器驱动、数据的处理、存储和显示。声光晶体被主控单元1控制，通过调节不同的驱动信号频率可以使经过声光晶体的出射光发生偏转，继而实现对目标区域的扫描和同步测量，提高了系统的探测范围；通过光学系统对不同角度的散射光(或漫反射光)进行汇聚后被光电探测组件接收可以同步记录不同位置处的由于积灰造成的散射光强信号。
[0035]
对激光光源进行调制，使用两块相耦合的声光晶体，通过改变驱动信号的频率，使出射光偏转实现对光伏板的扫描，通过光电探测组件探测正向散射光的光强，通过分光器与参考探测组件测量入射光光强，后续信号处理中利用相关检测原理去除环境光、环境温度变化与电学信号漂移带来的测量误差，从而实现快速、精准地获取光伏板一定二维区域内的积灰散射率分布。
[0036]
本发明还提供了一种激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置的测量方法，本发明提供的测量方法为：将整个测量装置调整完毕后，通过主控单元1驱动激光照明组件2产生调制光信号并经由光纤传输至光纤选通器3，通过主控芯片控制选择特定波长的光线输出至分光器4，分光器将光分为两束，一束光传输至光电探测组件7作为参考信号传输至主控单元1，另一束光经由光纤传输以布拉格角照射声光晶体，利用声光晶体的1级衍射光
照射被测光伏板6，通过调节声光晶体的驱动频率实现激光对照射区域的二维扫描；照射区域光伏板表面产生的散射光(或漫反射光)通过光学系统8汇聚至光电探测组件2(测量)9，对光电转换信号进行相关检测去噪处理，提高测量的信噪比并消除背景光的干扰，将数据传输至主控单元1。最终比对光电探测组件7(参考和光电探测组件9(测量)的数据，得到光能衰减，从而得到积灰散射分布。
[0037]
其中照明组件可以根据实际测量环境、灰尘性质选择特定波长的半导体激光器进行组合；声光晶体的扫描角度与波长有关，在使用时需要注意在使用不同波长的激光器时需要对应调整声光晶体驱动信号的频率进行补偿。
[0038]
实施例：
[0039]
参见图1，本发明装置由主控单元1、激光照明组件2、光纤选通器3、分光器4、声光偏转组件5、光伏板6、光电探测组件一7(参考)、光学系统8、光电探测组件二9(测量)、超声波驱动电路10与若干连接线、光纤组成。照明组件由不同波长的半导体激光器组成，主控单元1采用带dds的fpga控制模块。光电探测组件由光电探测器、放大倍率可调的前置放大电路和a/d转换电路组成。主控单元1与激光照明组件2连接，激光照明组件2后依次设置有通过光纤连接的光纤选通器3、分光器4、声光偏转组件5和光伏板6，分光器4并与光电探测组件一7连接，光电探测组件一7与主控单元1连接，光伏板6一侧设置有光学系统8，光学系统8采用光纤耦合器，光学系统8与光电探测组件二9连接，光电探测组件二9与主控单元1连接，声光偏转组件5与超声波驱动电路10连接，超声波驱动电路10与主控单元1连接。超声波驱动电路10采用超声波换能器。
[0040]
本发明还提供了一种激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置的测量方法，包括以下步骤：
[0041]
a)主控单元1输出驱动信号使照明组件2中的半导体激光器产生功率稳定的调制光信号；
[0042]
b)半导体激光器产生的调制光经由光纤传导进入光纤选通器3，主控单元1控制光纤选通器3选择出射光的波长；
[0043]
c)由光纤选通器3输出光线通过分光器4将光信号分为两束，一束光经由光纤传输至光电探测组件一7作为参考信号；
[0044]
d)另一束光经由光纤传输至声光偏转组件5处，通过主控单元1调节声光晶体的驱动频率使出射光发生偏转，实现对光伏板的扫描；
[0045]
e)反射光线通过光学系统8汇聚后经由光纤传输至光电探测组件二9；
[0046]
f)主控单元1通过步骤c)和e)中采集得到的数据，计算激光功率的衰减率从而反映光伏板表面积灰散射率分布并进行显示。
[0047]
步骤d)中，通过主控单元1调节驱动信号的频率可以精细的控制声光晶体出射光的偏转，并通过两块相耦合的声光晶体实现对光伏板的扫描；步骤c)和e)中两束光分别被光电探测组件所接收，对采集的信号进行相关检测处理和归一化处理后，可以抑制激光功率波动引起的能量比变化，且可以消去由于环境光、温度变化和电学信号漂移带来的测量误差，提高了测量的精度和稳定性。
[0048]
步骤d)中，声波通过声光介质时，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，当光波通过此介质时，就会产生光的衍射，当入射角满足布拉格衍射条件时，高级次衍射光被消
除，仅出现零级和 1级(或-1级)，光线偏转示意如附图2所示。通过主控单元调节驱动信号的频率可以精细的控制声光晶体出射光的偏转，并通过两块相耦合的声光晶体实现对光伏板被测区域的二维扫描，扫描方式如附图3所示，其位移角与驱动信号频率之间的关系如下式(1)所示：
[0049][0050]
式中δθ为光线的偏转角度，λ为入射光线的波长，n为声光晶体的折射率，vs为超声波在介质中的传播速度，δfs为超声波频率的变化值。
[0051]
在声光晶体出射面耦合一准直器件，使出射光角度偏转变为出射光位置偏转，保持出射光角度一致。
[0052]
步骤c)和e)中两束光分别被光电探测组件所接收，对采集的信号进行归一化处理后，可以抑制激光功率波动引起的能量比变化，且可以消去由于温度变化和电学信号漂移带来的测量误差，提高了测量的稳定性，具体表现为下式：
[0053][0054]
式中为φ0(λ)为参考光电探测器光敏面接受的光通量，φ1(λ)为测量光电探测器光敏面接受的光通量，s(λ)为探测器的灵敏度，u0(λ)为参考电压，u1(λ)为测量电压。根据光电探测器二所得测量电压，得到其与激光器光功率之间的损失值，通过光损失与光伏板积灰密度间的关系，从而间接反映光伏板表面积灰密度。
[0055]
照明组件可以根据实际测量环境、灰尘性质选择特定波长的半导体激光器进行组合；声光晶体的扫描角度与波长有关，在使用时需要注意在使用不同波长的激光器时需要对应调整声光晶体驱动信号的频率进行补偿。
[0056]
以上流程不仅可以进行对光伏板表面积灰散射测量，亦可以检测其它反射光学元件表面的散射率分布。
[0057]
参见图2，图2为声光晶体偏转光路示意图。声光偏转组件5包括y轴偏转的声光晶体一11，在声光晶体一11的出射面耦合有准直器件一12，声光晶体一11出射面一侧设置有x轴偏转的声光晶体二14，声光晶体二14的入射面设置有入射光耦合器件13，声光晶体二14的出射面设置有准直器件二15，声光晶体一11和声光晶体二14分别与超声波驱动电路10连接。其中超声波驱动电路10输出的驱动信号分两路，一路频率以固定间隔由f
y，1
变化至f
y，n
，使出射光由标注光线l1偏转至标注光线lm，另一路固定间隔由f
x，1
变化至f
x，m
。最终出射光可分解为共计l(1，1)-l(m，n)共m
×
n条偏转光线，其照射在待测样品处的二维分布如附图3所示。
[0058]
参见图3，,图3装置的扫描方式为：首先固定驱动声光晶体一的驱动频率为f
y，1
，驱动声光晶体二的驱动信号频率以固定的间隔由f
x，1
变化至f
x，m
，完成第一行扫描，随后频率复位至f
x，1
，驱动声光晶体一的信号频率由f
y，1
变化至f
y，2
，随后驱动声光晶体二的驱动信号频率以固定的间隔由f
x，1
变化至f
x，m
，完成第二行扫描，如此重复进行，直到完成扫描。
[0059]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。