隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和化石能源的逐漸枯竭，尋找高效、實(shí)用的可再生綠色能源已成為亟待解決的問題。在我國(guó)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，光伏發(fā)電具有極其重要的作用。光伏電池及組件作為光伏發(fā)電中最前端和最關(guān)鍵的一環(huán)，現(xiàn)已成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵設(shè)備和部件。光伏電池的質(zhì)量直接影響著光伏組件的發(fā)光效率和安全運(yùn)行。

隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的快速成長(zhǎng)，業(yè)界對(duì)光伏電池片的檢測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求。光伏電池在工作過程中，光伏電池及組件因?yàn)槿毕荻鴩?yán)重影響光伏系統(tǒng)正常發(fā)電并降低光伏電池工作壽命，這些問題急需解決。

光伏電池缺陷的種類基本可以分為三類：硅片原材料階段的污染、電池片成品生產(chǎn)過程中的損傷和電池組件的缺陷。硅片缺陷是指在硅片的定向凝固、切片、清洗包裝等過程中的生成缺陷等；電池片制造缺陷是指在電池片的制絨、印刷、燒結(jié)等制造過程中產(chǎn)生的缺陷；電池組件缺陷是指在電極焊接、層壓等組件制造過程中產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、虛焊等。這些缺陷都對(duì)應(yīng)著不同的紅外熱圖像特征。

以晶體硅光伏電池為例，如圖1a所示，在原材料的生產(chǎn)過程中受到污染會(huì)出現(xiàn)黑芯片、暗晶粒片、滑移錯(cuò)位、重?fù)诫s等缺陷；在晶體硅光伏電池生產(chǎn)制作過程會(huì)出現(xiàn)隱裂、刮痕、斷柵、熱斑、燒結(jié)異常等缺陷。

在成像系統(tǒng)方面，近幾年熱成像技術(shù)、深度學(xué)習(xí)和人工智能在電力及新能源行業(yè)故障檢測(cè)的研究和應(yīng)用逐漸增多。例如，機(jī)器視覺系統(tǒng)目前已經(jīng)成熟應(yīng)用于被動(dòng)式的光伏電池及其組件的生產(chǎn)、服役過程的缺陷識(shí)別和檢測(cè)定位。

圖1b所示為八旋翼遙控飛機(jī)搭載熱像儀對(duì)電池組件熱斑故障進(jìn)行在線檢測(cè)，利用熱像儀采集的缺陷處溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法處理，最終得到如圖1c所示清晰的缺陷成像。這套系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在役運(yùn)行過程中的光伏電站進(jìn)行被動(dòng)式在線故障檢測(cè)。

圖1 晶體硅電池制作過程中被動(dòng)式缺陷診斷系統(tǒng)框圖

在檢測(cè)手段方面，光伏電池缺陷檢測(cè)技術(shù)隨著現(xiàn)代物理學(xué)、光電學(xué)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。Bolun Du綜述了現(xiàn)有的硅基、薄膜、多結(jié)光伏電池檢測(cè)技術(shù)，其中典型的光伏電池檢測(cè)手段有：電參數(shù)測(cè)量、激光束誘導(dǎo)電流、暗鎖相紅外熱成像、電致發(fā)光、激光太赫茲發(fā)射顯微鏡等。表1總結(jié)了現(xiàn)有的光伏電池缺陷檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，這些方法基本都是被動(dòng)式檢測(cè)，相較之下，本文提出的主動(dòng)式電磁激勵(lì)的熱成像技術(shù)則具有非接觸、檢測(cè)靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)電池全局性能快速檢測(cè)，也能實(shí)現(xiàn)電池細(xì)微缺陷檢測(cè)。

因此，本文旨在建立基于主動(dòng)式電磁激勵(lì)紅外輻射光伏電池缺陷檢測(cè)方法，采用非接觸電磁感應(yīng)加熱，得到更好的熱輻射信息，利用FLIR A310熱像儀采集缺陷處的溫度場(chǎng)信息，采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）、獨(dú)立分量分析（Independent Component Analysis, ICA）等算法，建立具備非接觸、快速檢測(cè)、高分辨率、高靈敏度、可檢測(cè)內(nèi)部缺陷的晶體硅光伏電池檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)，為光伏電池的性能測(cè)試、失效分析和損傷檢測(cè)提供有效的理論和方法。

表1 不同檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

圖3 電磁激勵(lì)紅外輻射缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

結(jié)論

本文對(duì)比了電磁激勵(lì)紅外熱輻射檢測(cè)技術(shù)與現(xiàn)有常規(guī)光伏電池檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，突出了主動(dòng)式非接觸感應(yīng)加熱的創(chuàng)新性，其具備快速檢測(cè)、高分辨率、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。搭建了數(shù)字化電磁感應(yīng)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，得到脈沖式和鎖相式兩種激勵(lì)模式下的晶體硅光伏電池的熱成像序列，利用FFT、PCA、ICA算法對(duì)熱像圖進(jìn)行處理，在很大程度上消除了檢測(cè)過程的背景噪聲和干擾噪聲，顯著地提高了對(duì)缺陷檢測(cè)的識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)了晶體硅光伏電池?zé)岚?、裂紋、斷柵、重?fù)诫s等缺陷的檢測(cè)。數(shù)字化電磁感應(yīng)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確度高、可定量分析等特點(diǎn)。

本文的局限性在于本系統(tǒng)目前在使用便捷性、功率損耗和成本上還不具優(yōu)勢(shì)。并且由于硅光伏電池表面的缺陷種類繁多，例如還包括油污、微粒、雜質(zhì)等，本系統(tǒng)并沒有對(duì)以上缺陷的檢測(cè)、識(shí)別加以研究，因此希望在以后的工作中對(duì)這些缺陷進(jìn)行快速、準(zhǔn)確有效的檢測(cè)。同時(shí)本文所提出的檢測(cè)算法運(yùn)行時(shí)間稍長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性方面還有待提高。

未來，隨著光伏電池檢測(cè)產(chǎn)業(yè)朝著智能化方向發(fā)展，紅外機(jī)器視覺系統(tǒng)將更多地應(yīng)用于光伏電池檢測(cè)的快速缺陷定位和精確缺陷測(cè)量領(lǐng)域，可以結(jié)合本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上硅光伏電池的自動(dòng)可視化的在線檢測(cè)與缺陷分類。