淺析一種檢測光伏組件缺陷的EL檢測單元的設計

石 磊，張 亮，李樹珍，曹盼盼，姜祥維

(1.河北科技師范學院河北省光伏組件制造裝備技術創(chuàng)新中心，秦皇島 066004；2.秦皇島博碩光電設備股份有限公司，秦皇島 066000；3.秦皇島新禹機械設備有限公司，秦皇島 066000)

0 引言

光伏組件的品質將直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。在光伏組件的生產過程中，太陽電池表面會因操作不當出現(xiàn)斷柵、裂紋等缺陷，致使組件的功率降低甚至無輸出功率。因此，為了提高組件的合格率，對組件中太陽電池的品質進行有效檢測，及時剔除有缺陷的組件顯得尤為重要[1]。

太陽電池的品質檢測包括對其表面瑕疵的檢測，當采用人工法檢測時，會由于人為因素導致檢測結果與實際情況差別較大。電致發(fā)光(EL)技術是檢測光伏組件缺陷的重要方式。為滿足光伏組件自動生產線的需要，本文根據(jù)組件的生產工藝要求，設計了一種檢測光伏組件缺陷的EL檢測單元，通過該單元中的機器視覺系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，自動生成光伏組件EL圖像，以檢測組件是否有異物、灰塵、隱裂、虛焊、碎片等缺陷，從而提高組件的良品率和生產效率。

1 EL檢測單元的總體方案設計

EL檢測單元是光伏組件自動生產線的重要組成部分，有利于提高組件的良品率和生產效率，其工位布置如圖1所示。圖2為EL檢測單元的結構框圖，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

圖2 EL檢測單元的結構框圖Fig.2 The structure diagram of the EL detection unit

EL檢測單元的工作流程為：組件傳輸?shù)轿缓?，由機器視覺系統(tǒng)對太陽電池表面進行拍照，獲取電池表面圖像數(shù)據(jù)并生成圖片后，供操作人員檢查，以判斷組件中的電池是否存在斷柵、隱裂、碎片等缺陷[2]。

2 EL檢測單元的硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由機器視覺系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PLC)、傳感與通信系統(tǒng)、工業(yè)PC機組成。圖3為硬件系統(tǒng)的結構圖，其主要由主框架、探針機構、傳輸機構及相機機構組成。待測的組件由同步帶傳輸，通過機械結構實現(xiàn)精準定位，相機固定不動，對傳輸?shù)轿坏慕M件進行拍照；然后采用秦皇島博碩光電設備股份有限公司自主研發(fā)的軟件進行圖像處理，以便操作人員判斷組件是否合格[3-4]。

圖3 EL檢測單元硬件系統(tǒng)結構圖Fig.3 Hardware system structure of EL detection unit

硬件系統(tǒng)的工作流程為：1)傳輸機構由伺服系統(tǒng)驅動，組件傳輸至機器視覺系統(tǒng)預先設定好的檢測位置時，阻擋氣缸升起；當檢測到組件后，傳輸帶慢速運行，直至組件與阻擋輪完成接觸，組件歸正，傳輸動作停止，阻擋氣缸落下，再按預定步長傳輸一定距離后到達拍照位置。氣缸的位置由傳感器磁性開關檢測。2)傳輸帶停止后，相應位置的氣缸驅動探針伸出，探針下降，進入通電拍照狀態(tài)。3)位于底部的相機由PLC控制，并顯示于工業(yè)PC機上；一次拍照完成后，傳輸電機啟動，傳輸帶傳輸一定距離后相機再次拍照，然后向前移動再拍照一次，共拍攝3組照片；與工業(yè)PC機交互信號3組，由操作人員根據(jù)圖像進行“返修”或“下料”處理，PC機將反饋信號傳輸給PLC后，PLC控制傳輸機構對組件實施“返修”或“下料”動作。

3 EL檢測單元的軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由圖像處理模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊組成。圖4為軟件系統(tǒng)參數(shù)界面，在該界面用戶可以設定設備運行時的必要參數(shù)。其中，傳輸停止延時是指組件傳輸至光電傳感器后的延時停止時間；步位置是指相機拍攝時的位置，根據(jù)組件大小設置傳輸時間，以確定組件每次運動距離，通常分3個位置完成拍攝。氣缸1～ 氣缸6的選擇與組件所對應的步位置有關，組件處于相應步位置時，氣缸會帶動對應探針下壓。

圖4 軟件系統(tǒng)參數(shù)界面Fig.4 Parameter interface diagram of software system

圖5為EL檢測單元運行界面，用戶可以在運行界面實現(xiàn)初始化、模式切換、功能禁用等操作；在設備自動運行前，需完成整機初始化[5-6]。

圖5 EL檢測單元運行界面Fig.5 EL detection unit operation interface

圖6 光伏組件的EL檢測結果Fig.6 EL test results of PV modules

圖6為EL檢測單元對光伏組件檢測的結果，圖6a中的組件有裂紋缺陷，圖6b中的組件存在斷柵缺陷。工作人員可根據(jù)檢測結果采取相應措施，極大提高了判斷的準確性及生產效率。

EL檢測單元是光伏組件自動化生產線的重要組成部分，圖7為該EL檢測單元在某光伏組件自動化生產線上的實際應用。工位所需的人員由2人減至1人，誤差率降到0.01%，該結果得到了客戶的認可。

圖7 EL檢測單元的實際應用Fig.7 Practical application of EL detection unit

4 結語

本文設計的用于光伏組件缺陷檢測的EL檢測單元是通過驅動機器視覺系統(tǒng)來完成光伏組件圖像的采集，輔助人工完成對組件缺陷的檢測，可檢測組件是否有異物、灰塵、隱裂、虛焊、碎片等缺陷，降低了人為因素對檢測結果的影響。該產品已得到客戶的認可。