CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de los captadores solares fotovoltaicos para la producción de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía solar, concretamente al diagnóstico de plantas solares fotovoltaicas constituidas por captadores planos sobre estructuras fijas o con seguimiento, y más concretamente a ia inspección automatizada de los paneles en la propia planta, preferentemente en el espectro visible, aunque también se puede realizar la inspección en el espectro infrarrojo, o mediante una combinación de ambos. Como resultado de dicha inspección, deben quedar de manifiesto todos ios posibles defectps que existan en los captadores solares analizados, siempre que dichos defectos se manifiesten bien en el espectro visible, o bien en el infrarrojo si se trabaja en una inspección en ese rango del espectro.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad, existen diferentes métodos para el diagnóstico de captadores solares fotovoltaicos instalados en plantas. Entre otros, cabe destacar los siguientes:

Análisis en laboratorio de una muestra representativa de paneles de la planta. Este método puede aplicarse sobre una pequeña muestra de módulos pero es inviable en costes si se desea aplicar á todos ios módulos de una planta. Aunque algunas de las técnicas empleadas en este tipo de diagnóstico contemplan estrategias de tratamiento digital de imágenes, las condiciones de medida y los resultados que se obtienen son totalmente distintos a los de la presente invención, desde el punto de vista de la adquisición de la imagen, su resolución, tamaño, y del propio análisis.

Medida de las características eléctricas de una muestra representativa de módulos mediante un trazador V-l. Con este proceso no se garantiza un mantenimiento preventivo de los paneles, ya que no se identifican defectos en los módulos que, aunque no ocasionen una pérdida de potencia en el momento actual, sí puedan ocasionarla en el futuro. Inspección en el rango infrarrojo con cámaras termográficas. Este método consiste en la detección de zonas calientes a partir de gradientes de temperaturas.

Inspección directa de los paneles por parte de un operario. Este procedimiento facilita no sólo el mantenimiento correctivo sino también el mantenimiento preventivo de las plantas. Por contra, es un proceso que requiere en su totalidad de la intervención humana, es subjetivo, y requiere una gran cantidad de tiempo para la inspección detallada de toda una planta. La presente invención consiste en la automatización y mejora de dicho proceso de manera que se puedan realizar diagnósticos de plantas completas mediante la adquisición y tratamiento de imágenes de alta resolución. No se conocen soluciones en el estado de ía técnica enfocadas en esta línea. Era por tanto deseable un método para la inspección de plantas fotovoltaicas de, forma automatizada y mejorada, evitando así los inconvenientes existentes en los anteriores procedimientos de! estado de la técnica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un método para la inspección automatizada de captadores solares fotovoltaicos instalados en plantas, basado en la obtención de imágenes de dichos captadores y en el tratamiento y análisis de éstas mediante medios de procesamiento digital de imágenes. Este método presenta un conjunto de etapas, las cuales se describen a continuación.

En primer lugar se fijan las condiciones y parámetros para la toma de imágenes, y se configuran los medios para la obtención de las imágenes de los captadores solares fotovoltaicos que se van a inspeccionar. Estas condiciones pueden ser: rango del espectro, condiciones de iluminación, orientación, resolución, óptica, filtros ópticos, posición y orientación relativa entre captador y cámara, número de cámaras utilizadas, número de imágenes tomadas por captador y panel, y cualquier combinación de éstas. En función de !o que resulte más provechoso para cada paso ^' concreto del procesamiento de las imágenes, éstas podrán ser tratadas directamente en color o ser convertidas transitoriamente a escala de grises. Además, de forma particular, el rango del espectro fijado puede abarcar parte del infrarrojo, de tal forma que se obtengan imágenes termoqráficas del captador. A continuación se obtienen imágenes de los captadores solares fotovoitaicos a inspeccionar mediante al menos una cámara, aunque se pueden utilizar varias, de forma que cada imagen comprenda al menos parte de un captador.

La imagen obtenida puede ser una imagen panorámica del captador completo, obtenida a través de una cámara acopiada a un dispositivo de captura panorámica. Alternativamente, si - la cámara no está acoplada a. dicho dispositivo de captura panorámica, y no proporciona imágenes del captador completo, sino únicamente imágenes parciales de éste, se pueden tratar directamente, dichas imágenes parciales, o bien obtener una imagen panorámica que abarque el captador completo, mediante la composición de un. mosaico cuyas piezas sean dichas imágenes parciales.

Posteriormente se realiza un análisis de las imágenes de los captadores obtenidas mediante medios de procesamiento de imágenes por computador. En este análisis, se localiza en la imagen el captador a inspeccionar, separándolo de otros elementos ajenos como fondo, cielo, e incluso otros captadores que estuvieran en iá imagen. Después se realiza una segmentación de la imagen del captador que recoge de forma diferenciada cada uno de los paneles que lo conforman, y con ayuda de ios medios de procesamiento de imágenes, se hace un análisis individualizado de cada panel.

Concretamente, el proceso de localización y segmentación del captador consta de las siguientes subetapas: Primeramente, se procede con una binarización de la imagen con un único umbral obtenido a partir de una región interior del primer plano de dicha imagen, y que consiste en una matriz de paneles encuadrados en la imagen de partida. Dicha región es representativa de los tonos claros y oscuros del interior, del captador. Alternativamente, la binarización se podría realizar de forma adaptativa, en la que el umbral no es único, sino que depende de cada región de la imagen. A continuación se eliminan pequeñas discontinuidades del interior de los paneles debido, entre otros, a los busbars y fingers de las células, y se realiza un etiquetado de la imagen, en el que se separa verdaderamente como región individual cada región de la imagen no conectada a cualquier otra. Esto permite diferenciar cada panel de los demás y poder tratarlo así de forma individual como parte de la matriz de paneles inicialmente definida. Posteriormente se rellenan los huecos correspondientes al backsheet de cada uno de los paneles, lo que proporciona un compactado del interior de dichos paneles, y se procede con un n evo etiquetado y filtrado que elimina todas las regiones que no corresponden con el aspecto esperado de los paneles según criterios de área, rectangularidad y otros. De acuerdo con una realización preferente de la invención, tras la segmentación de la imagen del captador en paneles diferenciados, puede realizarse una segmentación final sobre los paneles, que comprende a su vez una binarización adicional en cada uno de los paneles diferenciados obtenidos tras la primera segmentación, con un umbral obtenido a partir de una región interior del panel representativa de los tonos claros y oscuros del interior del panel concreto. Igualmente a como sucedía con !a primera binarización, de forma alternativa esta binarización adicional se podría realizar de forma adaptativa, en la que el umbral no sería único, sino que dependería, a su vez, de cada pequeña región interior del panel. Tras esta binarización adicional se eliminan las discontinuidades del interior del panel, y se rellenan los huecos existentes en éste, para finalmente realizar un nuevo filtrado según criterios de área, rectangularidad y otros.

Una vez que se ha realizado !a segmentación para la obtención de los paneles, se realiza un análisis de las imágenes de los paneles mediante los medios de procesamiento de imágenes.

Como paso previo a este análisis se realiza una corrección de rotación, escalado y perspectiva de cada imagen de panel mediante transformaciones geométricas para llevar éstas a la misma disposición de unas imágenes patrón con las que se van a comparar para detectar los posibles defectos. Con defectos se hace referencia a cualquier irregularidad o anomalía en los paneles, apreciables visualmente, o en el infrarrojo, tales como por ejemplo imperfecciones, roturas en el vidrio, irregularidades en la textura, quemaduras, amarilleos, etc.

De forma particular, en esta corrección de rotación, escalado y perspectiva de cada imagen de panel se realiza una segmentación del contorno del panel en cuatro segmentos, los cuales forman un trapezoide que se corresponde con el cuerpo principal del panel. Después se hace una transformación dé homografía de los vértices del trapezoide y de todos los puntos de éste, que comprende rotación, traslación y escalado y que convierte dicho trapezoide en un rectángulo alineado con los ejes de la imagen y lo hace comparable con las imágenes patrón.

A continuación los medios de procesamiento realizan uh análisis de textura del panel a gran escala, usando descriptores de textura, combinados con clasificador basado en aprendizaje.

Posteriormente cada uno de los paneles se descompone o segmenta en dos partes diferenciadas: el cuerpo principal, de geometría regular en forma de matriz de células fotovoltaicas dispuestas sobre el backsheet, y la periferia del panel, que comprende los interconectores periféricos, dispuestos en las franjas superior e inferior del panel y el backsheet periférico, aunque también pueden existir realizaciones de paneles que no presenten dichos interconectores periféricos

En ia siguiente etapa, los medios de procesamiento analizan el cuerpo principal del pane! descomponiendo o segmentando dicho cuerpo principal en cada una de las . células fotovoltaicas que lo componen, y realizando un análisis visual individualizado de cada una de ellas para lá detección de posibles irregularidades. De acuerdo con una realización particular de la invención, para esta segmentación, la localización exacta en el panel de las células se realiza mediante emparejamiento por plantilla, en la que un algoritmo localiza en la imagen objetos semejantes a una imagen plantilla de la célula, que es usada como modelo. Preferentemente, antes del análisis individualizado de cada una de las células fotovoltaicas, se realiza un suavizado de la imagen de dicha célula mediante promediado en el entorno de vecindad de cada píxel que la forma, para que el aspecto de la célula sea lo más homogéneo posible.

De forma preferente, en este análisis visual se realiza un análisis de la textura de la célula y de la apariencia de los fingers y los busbars de dichas células. Según una realización preferente de la invención, este análisis individualizado de cada una de las células fotovoltaicas se realiza, en primera instancia, mediante un modelo de variación, que pretende poner de manifiesto los defectos más relevantes. En este modelo de variación se utiliza una imagen de media y una imagen de tolerancia. La imagen de media consiste en la media a nivel de cada píxel de las imágenes prototipo empleadas en entrenamientos preliminares, y que son consideradas correctas. La imagen de tolerancia indica, para cada píxel, la desviación respecto a la imagen de media que se admite para el grado de intensidad de dicho píxel. Con estas imágenes se comparan las células a analizar, y sobre estas células se marcan las diferencias de intensidad con respecto a las imágenes, indicadoras de irregularidades.

En segunda instancia, ia búsqueda de irregularidades en la textura de la célula se complementa con un procedimiento basado en umbralización dinámica, cuyo objetivo es poner de manifiesto defectos más tenues o menos apreciables.

Adicionalmente se realiza un análisis del color de la célula y del backsheet, para la detección de posibles quemaduras o amarilleos en el panel.

Por último se procede con un análisis visual de los interconectores periféricos, si los hubiera, y con un análisis del color del backsheet periférico para la detección de quemaduras en estas zonas. En consecuencia, con este método se consigue una inspección automatizada de paneles que mejora el estado de la técnica, dado que no requiere el desmontaje de los mismos, y elimina la subjetividad y es más precisa que una inspección visual. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no, limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.

La figura 1 es una vista en perspectiva que muestra un campo de captadores solares sobre los que se aplica el método objeto de la presente invención.

La figura 2 muestra la imagen de un captador sobre el que mediante medios de procesamiento de imágenes se va a realizar una segmentación para mostrar ae Torma diferenciada cada uno de los paneles que lo forman.

La figura 3 es una imagen de paneles del captador de la figura anterior en el proceso de segmentación en la que se ha realizado un etiquetado de imagen.

La figura 4 es una imagen de los paneles de la figura anterior en la que se ha realizado un rellenado y filtrado según criterios de área, rectangularidad y otros. En esta imagen los vértices de diferentes trapezoides delimitan el cuerpo principal de cada uno de los paneles.

La figura 5 es figura similar a la anterior en la que se muestra la imagen de los paneles del captador ya segmentados y numerados.

La figura 6a muestra la imagen del , contorno de un panel segmentado según los vértices de un trapezoide que delimita al cuerpo principal del panel. La figura 6b muestra la nueva posición de los vértices del trapezoide de la figura 6a tras una transformación de homografía que incluye rotación, traslación y escalado. La figura 6c muestra la imagen del rectángulo generado a partir de la transformación de homografía dei trapezoide del panel de la figura 6a.

La figura 7 muestra la imagen de un panel en el que se aprecian todos sus componentes.

La figura 8 muestra con detalle la imagen de un conjunto de células fotovoltaicas del panel tras la segmentación.

En estas figuras sé hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1. captador solar fotovoltaico

2. paneles del captador solar fotovoltaico 3. cuerpo principal del panel

4. células fotovoltaicas del panel

5. backsheet del panel

6. periferia del panel

7. interconectores periféricos del panel

8. segmentos obtenidos tras la segmentación del contorno del panel

9. trapezoide formado por los segmentos obtenidos tras la segmentación del contorno del panel

10. rectángulo obtenido por transformación de homografía deí trapezoide

11. . fingere de las células

12. busbars de las células

pi. p2, P3, Ρ4 vértices del trapezoide obtenido a partir de los segmentos que delimitan el cuerpo principal del panel.

P , P2» _> Ρ3* y p4* vértices del rectángulo obtenido tras la transformación de homografía de los vértices ρ-ι , p _2l ^, p ₄ del trapezoide.

DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN

El objeto de ia presente invención es un método para la inspección automatizada de captadores solares fotovoltaicos instalados en plantas.

El método consta de varias etapas, y abarca desde la obtención de las imágenes a analizar hasta la obtención de resultados sobre el estado de los captadores.

La primera etapa es la de fijación de las condiciones de medida y parámetros para la toma d,e imágenes de los captadores solares fotovoltaicos 1 que se van a inspeccionar, y de la configuración de los medios necesarios para la obtención de las mismas. Concretamente, las condiciones a fijar para la captación de imágenes pueden seleccionarse entre el rango del espectro electromagnético, iluminación, orientación, resolución, óptica, filtros ópticos, disposición relativa entre el captador 1 y la cámara, numero de cámaras utilizadas, número de imágenes tomadas por captador 1 y panel 2, y combinación de éstas.

En cuanto al espacio de color, en función de lo que resulte más provechoso para cada paso concreto del procesamiento de las imágenes, éstas podrán ser tratadas directamente en color o ser convertidas transitoriamente a escala de grises. Como caso particular de fijación de condiciones, se puede tomar el rango del espectro electromagnético infrarrojo lejano y se obtendrán imágenes termográficas, lo que dará información sobre la temperatura de determinadas zonas del panel, ayudando a identificar ciertas irregularidades y defectos con carácter correctivo pero no a nivel preventivo.

A continuación, en la segunda etapa, se obtienen las imágenes de los captadores solares fotovoltaicos 1 mediante ai menos una cámara, en la que cada imagen comprende al menos parte de un captador 1. Aunque de forma general las imágenes se tomarán a mano, de forma particular se puede utilizar una única cámara acoplada a un dispositivo de captura panorámica, con la que se tomen todas las imágenes necesarias del captador completo 1 , o bien más de una cámara que tomen varias imágenes simultáneas, pudiendo cada una de ellas tomar la imagen. de una parte del captador.

En la tercera etapa se realiza un análisis de las imágenes que se han tomado de los captadores 1 mediante medios de procesamiento de imágenes. En esta etapa se realizan varias acciones.

En primer lugar se localiza en la imagen el captador 1 que se va a inspeccionar.

Después se ejecuta una segmentación de la imagen deí captador 1 para conseguir que la imagen muestre de forma clara y diferenciada cada uno de los paneles 2 que lo componen.

Según una realización- preferente del método objeto de la presente invención, para conseguir la localización en la imagen del captador 1 a inspeccionar y la segmentación de la imagen de éste, se realiza una primera binarización de la imagen con un único umbral obtenido a partir de una región interior de la matriz de paneles 2 representativa de los tonos claros y oscuros del interior del captador 1. Sin embargo, esta primera binarización se podría realizar de forma adaptativa, en la que el umbral no fuera único, sino que dependiera de cada región de la imagen. Alternativamente, para la segmentación de la imagen del captador 1 , se puede usar color, mediante un umbral compuesto, o bien a partir de una región en el espacio de color.

De forma particular, para calcular el umbral óptimo para la binarización de !a región central de la imagen se analiza el histograma de la región elegida, en el que cabe esperar que haya dos picos dominantes, uno situado en el rango de intensidades bajas, asociado al cuerpo principal de los paneles 2, y que será mucho más voluminoso que el otro, centrado en la zona de intensidades altas y que está asociado a la zona periférica de los módulos (backsheet y marco de los mismos). A partir de estos dos picos, se determina el umbral óptimo ^' buscando el nivel de gris correspondiente al mínimo, dentro del rango de intensidades delimitado por el pico máximo de las intensidades bajas y por el valor que resulte de la media entre los dos picos máximos. Con este umbral se realiza una primera binarizáción de la imagen completa. Con ello se obtiene una primera segmentación de la matriz de paneles 2. Sin embargo, con esta primera segmentación puede que se consideren como potenciales paneles regiones que forman parte del fondo, e incluso algunas regiones del cielo visible o de la periferia del panel 2.

A continuación se eliminan pequeñas discontinuidades existentes en el interior de los paneles 2 causadas por los busbars 12 de las células 4, y se hace un etiquetado de imagen, en el que se separa verdaderamente como región individual cada región de la imagen no conectada a cualquier otra región, permitiendo esto diferenciar cada panel 2 de los demás y poder tratarlo de forma individual. Después se rellenan los huecos correspondientes al backsheet 5 de cada uno de los paneles 2, lo que proporciona un compactado del interior de dichos paneles 2, realizándose un nuevo etiquetado y filtrado que elimina todas las regiones que no corresponden con el aspecto esperado de los paneles 2 según criterios principalmente de área, rectangularidad y otros.

Como opción para mejorar aún más la calidad del análisis de la imagen, tras la segmentación inicial de la imagen del captador 1 en paneles 2 diferenciados, de forma preferente se puede realizar una segmentación final sobre cada uno de los paneles 2. En esta segmentación final se hace una binarizáción adicional en cada uno de los paneles 2, con un umbral obtenido a partir de una región ampliada de la región etiquetada durante el proceso de segmentación anterior, asumiendo que dicha región ampliada contendrá completamente al panel 2, y será por tanto representativa de los tonos claros y oscuros de dicho panel 2. A continuación se realiza una nueva eliminación de discontinuidades del interior del panel 2. Igualmente a como sucedía con la primera binarizáción, de forma alternativa esta binarizáción adicional se podría realizar de forma adaptativa, en la que el umbral no sería único, sino que dependería de cada región interior al panel concreto. Posteriormente se rellenan los huecos aún existentes en el panel 2 y se hace un nuevo filtrado según criterios de área, rectangularidad y otros.

Como se ha indicado anteriormente, la imagen obtenida puede ser una imagen panorámica del captador completo, obtenida a través de una cámara acoplada a un dispositivo de captura panorámica.

Alternativamente, si la cámara no está acoplada a dicho dispositivo de captura panorámica, o, en general, si no se parte de una imagen del captador completo, sino de imágenes parciales de éste, se pueden tratar directamente dichas imágenes parciales, o bien obtener, a partir de ellas, una imagen panorámica que abarque el captador completo, mediante la composición de un mosaico cuyas piezas sean dichas imágenes parciales.

Posteriormente, en la cuarta etapa se procede al análisis de las imágenes segmentadas de los paneles 2 mediante los medios de procesamiento de imágenes. En este análisis se realiza primeramente una corrección de rotación, escalado y perspectiva de cada imagen de panel 2 mediante transformaciones geométricas para llevar éstas imágenes a la misma disposición de unas imágenes patrón de los paneles con las que se van a comparar para detectar las posibles irregularidades.

De forma particular, la corrección de rotación, escalado y perspectiva de la imagen de panel 2 se realiza mediante una segmentación del contorno del panel 2 en cuatro segmentos 8, los cuales forman un trapezoide 9 de vértices pi, p ₂ , P3 y p ₄ , que se corresponde con el cuerpo principal del panel 2. Posteriormente se lleva a cabo una transformación de homografía de los vértices pi, p2, p3 y p de! trapezoide 9 y de todos los puntos de éste que comprende rotación, traslación y escalado, y que convierte dicho trapezoide 9 en un rectángulo 10, de vértices ρ^, ρ ₂ ·, , p ₃ * y ρ ₄ ·, alineado con los ejes de !a imagen. De esta forma las imáaenes obtenidas son comparables con las imágenes patrón de los paneles.

Una vez hecho esto se realiza un análisis de textura del panel 2 a gran escala para detectar posibles irregularidades y defectos.

A continuación del análisis de textura a gran escala se segmenta o descompone cada uno de los paneles 2 en sus zonas principales para realizar el análisis detallado de éstas. Dichas zonas son el cuerpo principal 3, en la zona central del panel 2, de geometría regular en forma de matriz de células fotovoitaicas 4 idénticas dispuestas sobre el backsheet 5, y la periferia del panel 6 formada por los interconectores periféricos 7, dispuestos en las franjas superior e inferior del panel 2, y el backsheet 5 periférico, aunque de acuerdo con diferentes realizaciones de la invención, se podrán tratar paneles que no presenten interconectores periféricos 7.

En la quinta etapa, para realizar el análisis del cuerpo principal 3 mediante los medios de procesamiento de imágenes, en primer lugar éste se descompone o segmenta en cada una de las células fotovoitaicas 4 que la componen. Posteriormente se lleva a cabo un análisis individualizado de cada una de las células fotovoitaicas 4, mediante la observación de irregularidades en las imágenes, y mediante un estudio del color de la célula 4 y del backsheet 5; todo ello con el objeto de detectar posibles imperfecciones que se correspondan con quemaduras u otros defectos que supongan alteración de la textura o el color.

Según una realización particular, para descomponer el cuerpo principal en cada una de las células fotovoltaicas 4, la localización exacta de dichas células 4 se realiza mediante emparejamiento por plantilla. Se trata de un algoritmo que, dado un prototipo de célula, lo utiliza como plantilla a localizar en toda la extensión del cuerpo del módulo, empleando para ello un criterio de semejanza en la apariencia.

Además, preferentemente, antes del análisis individualizado de cada una de las células fotovoltaicas 4, se realiza un suavizado de la imagen de dicha célula 4, mediante promediado en el entorno de vecindad de cada píxel que la forman, para que el aspecto de la célula 4 sea lo más homogéneo posible.

De forma particular, para realizar el análisis individualizado de las células fotovoltaicas 4 se hace un análisis en detalle de la textura de dicha célula 4, y de la apariencia de los fingers 1 1 y los busbars 12 de ésta. Concretamente, este análisis individualizado de cada una de las células fotovoltaicas 4 se lleva a cabo a su vez mediante un modelo de variación, en el que se utiliza una imagen de media de imágenes prototipo consideradas correctas, y una imagen de tolerancia de la desviación permitida respecto a esta imagen de media, con las que se comparan las células 4. Así, en las células 4 se marcan las diferencias de intensidad con respecto a las imágenes, correspondiéndose estas diferencias de intensidad con irregularidades en dichas células.

Según una realización preferente de la invención, posteriormente al análisis de las , células 4 mediante el modelo de variación, para conseguir una detección más detallada de posibles irregularidades, se realiza una umbralizactón dinámica en la que se compara cada uno de ios píxeles de la imagen de la célula 4 con la media o mediana de un entorno de vecindad del mismo, y si la diferencia en intensidad es mayor que un valor prefijado se considera irregular. En este modelo de umbralización dinámica se excluyen los busbars 12 y los espacios entre células 4, que pertenecen al backsheet, precisamente para que el propio modelo no los tome como irregularidades. Adicionalmente se realiza un análisis del color de. la célula 4 y del backsheet 5, para la detección de posibles quemaduras, amarilleos en el panel u otros defectos. Adicionalmente se realiza un análisis visual de los interconectores periféricos 7, si los presentara el panel, y análisis del color del backsheet 5 periférico, para igualmente detectar irregularidades que se correspondan con quemaduras o amarilleos. Una vez realizada la identificación del tipo, numero y severidad ae caaa uno de ios defectos detectados, se dispondrá de la información necesaria para llevar a cabo las acciones preventivas o correctivas pertinentes.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.