基于紅外成像和電致成像的光伏組件隱裂檢測

李建東

【摘? 要】科技的進(jìn)步，促進(jìn)人們對(duì)能源需求的增多。隨著國家新能源行業(yè)快速發(fā)展，光伏電站已成為新能源發(fā)電行業(yè)中不可缺少的一員。但由于前期光伏電站發(fā)展過快，導(dǎo)致目前已投運(yùn)的光伏電站發(fā)電效率參差不齊，其中主要影響光伏電站發(fā)電效率的因素之一就是光伏組件的質(zhì)量。由于光伏組件在運(yùn)行和安裝過程中的不規(guī)范容易導(dǎo)致光伏組件電池片隱裂，從而引起光伏組件功率衰減，直接影響光伏電站的發(fā)電效率，所以檢測出光伏電站的隱裂組件并及時(shí)更換就可以提高光伏電站的發(fā)電效率。但由于光伏電站光伏組件數(shù)量眾多，并且集控系統(tǒng)也只能檢測到組串一級(jí)數(shù)據(jù)，所以對(duì)隱裂組件的定位就成為提高光伏電站發(fā)電效率的關(guān)鍵。本文就基于紅外成像和電致成像的光伏組件隱裂檢測展開探討。

【關(guān)鍵詞】光伏組件;隱裂;檢測技術(shù)

引言

電站在運(yùn)行后的不同時(shí)段，會(huì)出現(xiàn)工程隱患、設(shè)備老化、環(huán)境影響等因素造成的發(fā)電不良或設(shè)備損壞，類似此類故障應(yīng)及時(shí)處理，避免事態(tài)嚴(yán)重，造成更大損失。通過檢測結(jié)果記錄的積累，可建立電站健康檔案，對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)問題的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)觀察和維護(hù)工作;還可通過這些記錄和檔案對(duì)下一次的采購與選型提供有價(jià)值性的參考。所以，光伏電站應(yīng)從建設(shè)期開始，即對(duì)站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備特別是光伏組件進(jìn)行檢測。

1隱裂的由來及危害

隱裂是太陽能光伏組件的一種不良現(xiàn)象，是指組件中電池片在封裝之后出現(xiàn)肉眼無法察覺的細(xì)微裂縫的現(xiàn)象。電池片隱裂會(huì)在機(jī)械載荷下擴(kuò)大，可能會(huì)導(dǎo)致開路性的破損。若隱裂情況較為嚴(yán)重時(shí)，可能發(fā)生熱斑效應(yīng)，使隱裂電池片區(qū)域溫度升高，加速組件封裝材料的老化，使整個(gè)組件的電流輸出受到影響，輸出功率降低，最終加速組件的功率衰減，降低其正常使用壽命。目前的EL檢測儀利用晶體硅的電致發(fā)光原理可檢測出隱裂等電池片內(nèi)部缺陷。

2隱裂的分類

按照裂紋的數(shù)量、形態(tài)，以及和主柵線的相對(duì)位置來對(duì)隱裂進(jìn)行分類。編號(hào)從Ⅰ～Ⅶ，各種類型的隱裂能造成收集電流障礙和互聯(lián)脫落的風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。但在各種具體情況中，隱裂造成影響的大小與各自潛在的失效面積大小有關(guān)。

3基于紅外成像和電致成像的光伏組件隱裂檢測

3.1光伏組件電致成像檢測

電致成像（EL）檢測是通過對(duì)光伏組件通入正向電流，使電流作用于PN結(jié)兩邊，電能把處于基態(tài)的原子進(jìn)行激發(fā)，使其處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，進(jìn)行自發(fā)輻射。通過特殊材料制成的鏡頭去捕捉這種輻射，從底片的成像來判斷電池片是否隱裂。雖然電致成像（EL）檢測能精確的檢測出組件電池片隱裂的程度和位置，但相應(yīng)的其操作復(fù)雜，檢測速度慢，同時(shí)EL檢測出來的圖片一般需要專業(yè)人士才能發(fā)現(xiàn)組件中存在的問題，所以無法用于大規(guī)模的光伏組件檢測。隨著人工智能的發(fā)展以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別中的應(yīng)用，使得計(jì)算機(jī)可以很好的代替人眼來對(duì)EL的檢測圖像進(jìn)行檢察和缺陷判別，從而提高了EL檢測速度。

3.2組件紅外檢測

光伏組件通常安裝在地域開闊、陽光充足的地帶，在長期運(yùn)行使用中，難免落上飛鳥排泄物、塵土、落葉等遮擋物。這些遮擋物在光伏組件上就形成了陰影，在大型光伏組件方陣間，行間距不合適也能導(dǎo)致互相遮擋形成陰影。由于局部陰影的存在，光伏組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化，致使光伏組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些光伏組件上產(chǎn)生了局部溫升現(xiàn)象。光伏組件中某些電池單片的本身缺陷也可能使組件在工作時(shí)局部發(fā)熱，發(fā)生熱斑效應(yīng)。在實(shí)際使用太陽電池時(shí)，如果熱斑效應(yīng)引起的溫度超過了一定極限，將會(huì)使光伏組件上的焊點(diǎn)熔化并毀壞柵線，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)光伏組件的報(bào)廢。據(jù)國外權(quán)威統(tǒng)計(jì)，熱斑效應(yīng)導(dǎo)致光伏組件的實(shí)際使用壽命至少減少10%。這種熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重破壞太陽電池板，且減少光伏組件壽命，降低整串光伏組串發(fā)電效率。長時(shí)間出現(xiàn)熱斑情況或熱斑溫度過高，易出現(xiàn)火災(zāi)等安全隱患。通過紅外測試儀對(duì)光伏組件進(jìn)行熱紅外測試，在測試過程中將存在局部溫度過高的光伏組件進(jìn)行圖像和編號(hào)記錄，通過記錄進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.3圖像識(shí)別技術(shù)在電致成像（EL）檢測中的應(yīng)用

圖像識(shí)別技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析、處理，通過把原始數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集。訓(xùn)練集的作用是去訓(xùn)練算法模型，從而使得計(jì)算機(jī)能夠按照我們的意愿對(duì)圖片進(jìn)行辨識(shí)和分類，驗(yàn)證集的作用為優(yōu)化算法模型中的超參數(shù)，從而使得算法模型具有更好的準(zhǔn)確性。由于圖像識(shí)別技術(shù)可以快速準(zhǔn)確的辨識(shí)出常見的光伏組件缺陷，所以為大規(guī)模電站的快速電致成像（EL）檢測創(chuàng)造了條件。

3.4EL隱裂檢測

電致發(fā)光（EL）又可稱為電場發(fā)光，是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子在能級(jí)間的躍遷、變化、復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。隱裂測試原理：晶體硅太陽電池外加正向偏置電壓，電源向太陽電池注入大量非平衡載流子，電致發(fā)光依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子;再利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后顯示出來;整個(gè)測試過程在暗室中進(jìn)行。EL圖的亮度正比于電池片的少子擴(kuò)散長度與電流密度，有缺陷的地方，少子擴(kuò)散長度較低，所以顯示出的圖像亮度較暗。通過EL圖的分析可有效發(fā)現(xiàn)硅材料缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷、工藝污染、裂紋等問題。檢測缺陷類型有：（1）隱裂，電池片中存在深色的線條;（2）黑心，電池中間存在明顯邊界的黑色噴墨狀區(qū)域;（3）斷柵，電池片細(xì)柵線方向有條狀的黑色線條或區(qū)域;（4）云片，電池中間存在明顯的灰黑色云霧狀區(qū)域;（5）破、碎片，電池片中存在有明顯邊界的黑色區(qū)域，并與周圍存在明顯的碎痕和明暗對(duì)比;（6）明暗片，電池片整片顏色與同一組件的其他電池片顏色明暗不一;（7）主柵線區(qū)域明暗不一致，主柵線區(qū)域之間明暗等級(jí)不一致。

4避免隱裂的措施

（1）嚴(yán)格控制電池片來料品質(zhì)，合理選擇互聯(lián)條厚度、硬度和可焊性;（2）保持環(huán)境相對(duì)濕度低于60%，保證電池片經(jīng)過充分預(yù)熱后再實(shí)施焊接;（3）手工焊接應(yīng)保持手勢輕、快、平，避免產(chǎn)生虛焊和過焊，避免按壓電池片，尤其在串焊模板上;（4）機(jī)器焊接應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控焊接質(zhì)量，避免虛焊、過焊和焊帶偏移;（5）重視層壓前的EL檢查，隱裂盡量在層壓前返修，以免層壓造成隱裂擴(kuò)大;（6）層壓后的組件應(yīng)充分降溫后才能進(jìn)行削邊，宜采用玻璃面向下的方式削邊和裝框;（7）裝框前的層壓件應(yīng)避免翻轉(zhuǎn)和人工搬運(yùn);（8）削邊和預(yù)組框等工作臺(tái)面應(yīng)足夠大，組件居中放置后，其邊緣到臺(tái)面邊緣的距離應(yīng)大于200mm;（9）蓋緊接線盒盒蓋時(shí)用力應(yīng)適度，且臺(tái)面下對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)設(shè)置一個(gè)較大面積的支撐;（10）宜采用鋼架托盤或雙層木托盤來周轉(zhuǎn)平放的組件，使用液壓車時(shí)貨叉應(yīng)完全穿過托盤。

結(jié)語

光伏組件隱裂檢測是保障光伏電站發(fā)電效率的重要一環(huán)，本文通過結(jié)合紅外熱成像檢測技術(shù)和電致成像（EL）檢測技術(shù)可以快速發(fā)現(xiàn)和定位問題組件，同時(shí)圖像識(shí)別技術(shù)的引入可以降低對(duì)檢測人員的能力要求，并且可以更加快速的對(duì)EL檢測出的圖片結(jié)果進(jìn)行分析。

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（作者單位：中國水電建設(shè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)任公司西北分公司）