• 文章导读

在全球新能源转型的背景下，太阳能光伏产业成为可再生能源发电的核心支柱，2023年其在电网中的供电占比大幅提升，装机量增长至近510吉瓦 (GW)，创下二十年最快增速。但光伏组件在运行过程中会出现各类故障与异常——脏污、裂纹、遮挡、线路问题……都可能让太阳能板的发电效率大幅下降，甚至影响整个电网的稳定。如何快速、准确地识别太阳能板缺陷，是当前智能光伏领域亟待突破的关键技术难题。近日，澳大利亚迪肯大学研究团队的最新研究给出了答案：基于人工智能技术实现太阳能板故障的智能检测与诊断。

该研究团队在 Electronics 期刊发表的最新研究，首次将YOLO v9、v10与v11等最新一代目标检测算法应用于太阳能电池板缺陷检测，并实现了性能上的全面突破。此项研究不仅提供了高精度的缺陷识别新方案，还为智能光伏系统的低成本部署、实时诊断和自动化维护奠定了坚实基础。

• 研究内容及结果

1.多维度实验设计，夯实算法验证基础

为全面验证算法性能，研究团队基于三类差异化数据集开展训练与测试，兼顾热成像与光学成像两种光伏检测主流图像类型：一是含191张200×160像素的热成像数据集，用于识别电池单元、多单元级热斑及阴影缺陷；二是含792张244×244像素的光学数据集，可检测积尘、积雪、鸟粪、物理损伤和电气缺陷；三是对第一个热成像数据集进行翻转、旋转等数据增强后得到的316张增强版热成像数据集，进一步提升模型的泛化能力。

实验基于Google Colaboratory平台的T4 GPU完成，选取YOLO v5、v9、v10、v11四代算法为核心研究对象，同时以支持向量机 (SVM) 和基于区域的卷积神经网络 (R-CNN) 为传统算法参照。研究采用随机搜索法优化批次大小、训练轮数等关键超参数，先在COCO数据集上完成预训练，再在光伏缺陷数据集上微调，通过训练验证与独立测试两个阶段，从精确率、召回率、平均精度均值 (mAP)、F1分数及推理时间多维度评估算法性能。图1展示了用于训练和测试YOLO v10-X算法以检测太阳能电池板缺陷的流程图。

图1. 使用YOLO v10-X检测缺陷的流程图

2.新一代YOLO表现亮眼，v11-X成综合性能最优模型

实验结果显示，新一代YOLO v10、v11算法在太阳能电池板缺陷检测中实现了性能的大幅突破，显著优于旧版YOLO及传统检测算法。

在训练阶段，YOLO v10-X经370轮、批次大小为8的训练后，在热成像数据集上展现出良好的收敛性，算法的边界框与真实框 (或标签) 之间的误差随训练轮数增加逐渐减小 (图2)；YOLO v11-X则以更少的训练轮数实现了更高的精度表现，精确率达90.1%、召回率85.4% (表1)。

图2. YOLO v10-X在Roboflow数据集上的训练结果

表1. 训练验证指标汇总

独立测试阶段的对比结果更为直观：相较于YOLO v5s (F1分数43.4%)、YOLO v9 (F1分数65.5%)，YOLO v10-X模型取得了更好的性能，精确率90.1%、召回率87.9%、mAP50达94.2%、F1分数89%，算法的整体性能优于之前的YOLO版本；YOLO v11-X在增强版热成像数据集上表现达到实验最优，精确率89.7%、召回率87.7%、平均精度均值92.7%、F1分数90%，成为综合性能最佳的模型。目标检测性能的提升和计算复杂度的降低使得YOLO v11模型能够高效地用于实时太阳能电池板缺陷检测，并且根据表2，YOLO v11-X算法的性能优于之前的YOLO版本。YOLO v11的计算成本低于之前的版本。

图2. YOLO v10-X在Roboflow测试数据集上的目标检测

表2. YOLO v10-X算法的独立测试实验结果

如表3所示，与传统算法相比，新一代YOLO算法的优势更为显著：SVM虽推理时间短，但精确率仅为56%，F1分数71.8%；Faster R-CNN召回率85.4%，但推理时间长达3158 ms，难以满足实时检测需求；而YOLO v10-X、v11-X兼顾检测精度与实时性，推理时间分别为220.2 ms、149.2 ms (增强数据集)，完全适配工程场景的实时检测要求。YOLO v11的性能提升能够快速准确地识别故障，帮助维护团队在更短的时间内检查和评估更多太阳能电池板，从而显著降低实际太阳能电池板维护的成本并提高效率。此外，YOLO v11模型体积更小，更易于部署在边缘设备上，这本身就减少了对昂贵硬件设备的需求，并支持在偏远地区进行实时监控，从而进一步降低运营成本。

表3. YOLO v10X、YOLOv11-X、Faster R-CNN和SVM算法的比较

• 研究总结与未来展望

本研究的核心创新在于首次将2024年发布的YOLO v10、v11算法应用于太阳能电池板缺陷检测领域，并通过数据增强、超参数优化等手段，充分挖掘了新一代YOLO算法的检测潜力。研究通过多算法、多数据集的系统性对比，明确了YOLO v11-X在光伏缺陷检测中的最优综合性能，其兼具高检测精度、强泛化能力与较快的推理速度，解决了传统检测算法“精度低”或“实时性差”的痛点，为光伏设备的智能化、自动化检测提供了可行的算法支撑。同时，研究构建的增强版热成像数据集，也为该领域的后续研究提供了宝贵的数据基础。

在未来研究中，团队提出将YOLO v11-X与LSTM等功率预测算法相结合，构建“缺陷检测 + 功率预测”的一体化算法体系，实现从光伏缺陷识别到发电效率影响预判的全流程分析，进而优化光伏运维调度，减少设备停机时间，提升整体能源利用效率。此外，研究团队还将通过模型量化、剪枝等技术，进一步压缩YOLO v11-X的模型体积，推动其在边缘设备、无人机巡检等低功耗、移动式检测场景中的部署，让AI算法真正落地光伏运维一线，为新能源产业的高质量发展注入智能动力。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3138090

• Electronics 期刊介绍

主编：Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊涵盖的研究领域包括但不限于：电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的最新技术突破以及前沿发展。

2024 Impact Factor：2.6

2024 CiteScore：6.1 

Time to First Decision：16.4 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronics