基于機(jī)器視覺和自動(dòng)控制的退役光伏組件背板物理去除方法研究

梁 漢，張建文，劉 浪，陶斯堯，廖東庭

（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

光伏組件由太陽能硅電池片、鋼化玻璃、EVA封裝膠膜、含氟背板、銅錫焊帶、接線盒以及鋁合金邊框等組成。近年來諸多國家開展了光伏組件回收技術(shù)開發(fā)，目前光伏組件回收技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室或中試研究階段［1-5］。光伏組件回收方法多樣，目的是得到單一純凈的各組成部分（鋁邊框、玻璃、硅片和銅錫焊帶等）。光伏組件在戶外使用壽命約為20～25 a左右［6-8］，據(jù)此推算，從2025年開始，全球光伏組件退役將進(jìn)入大爆發(fā)階段。經(jīng)過近20余年的發(fā)展，光伏組件回收技術(shù)逐漸形成了熱回收法、物理回收法、化學(xué)法以及新技術(shù)回收方法幾個(gè)研發(fā)方向［9］。

通過對現(xiàn)有光伏組件回收方法調(diào)研可知，針對從光伏組件中去除背板多采用熱解法、有機(jī)溶劑溶解法以及先破壞性的剝離玻璃、硅片等，但均未找到有效的解決先去除背板的方法。對于光伏組件而言，背板是一種含氟塑料，回收利用價(jià)值低且易產(chǎn)生環(huán)境污染。最理想的回收方法是對其單獨(dú)剝離后進(jìn)行填埋或作為其他材料的填充劑使用，再單獨(dú)分離光伏組件其他有價(jià)材料。本文研究了基于機(jī)器視覺和自動(dòng)控制的退役光伏組件背板物理去除方法。

1 基于自動(dòng)控制的背板去除

傳統(tǒng)的光伏組件回收方法中，背板多采用燃燒、化學(xué)處理，由于背板含氟，帶來較大環(huán)保問題，基于此，開展了基于自動(dòng)控制的光伏組件背板物理去除方法研究，其背板去除率達(dá)到95%以上。

1.1 背板去除方法

研究的方法為采用砂帶濕法磨削方式進(jìn)行背板去除，該方法利用快速運(yùn)動(dòng)的砂帶作為磨具進(jìn)行磨削，可實(shí)現(xiàn)尺寸精度為1 mm以內(nèi)的背板高效去除，設(shè)備工作原理圖如圖1所示。磨削的特點(diǎn)為速度很快，可達(dá)到30～50 m／s；磨削方式可以加工軟材料，磨削切削深度很小，便于實(shí)現(xiàn)微米到毫米間去除深度的控制。磨削的這些特性適用于去除光伏組件薄層背板；但磨削溫度較高，可達(dá)1 000℃以上，為避免高溫對背板的含氟成分氣化帶來的環(huán)境污染問題，采用濕式砂帶磨削進(jìn)行降溫處理。整個(gè)光伏組件背板去除和回收工藝包括：前期準(zhǔn)備（人工或機(jī)械拆除鋁邊框和接線盒）、背板與組件的磨削去除分離、分離的背板屑與水的固液分離和背板殘余水分去除。

圖1 背板去除原理

1.2 背板去除自動(dòng)控制實(shí)施策略

背板去除過程是以PLC控制為基礎(chǔ)，完成光伏組件的進(jìn)料、磨削和出料的全過程自動(dòng)化。其特點(diǎn)是：系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作簡便，運(yùn)行安全、可靠，且設(shè)備方便與檢測系統(tǒng)、上位機(jī)等通信。設(shè)備的控制原理圖如圖2所示。

圖2 背板去除設(shè)備原理機(jī)控制圖

1.3 背板去除效果及存在問題

基于前述方法和自動(dòng)控制策略開發(fā)的設(shè)備去除背板后的光伏組件，去除背板基本得到有效去除，但存在部分背板殘留未去除的問題，其背板殘余率小于5%。剝離的背板屑可進(jìn)行填埋或作為其他材料（如顆粒膠合板）的填充劑。

2 機(jī)器視覺及殘留背板去除

機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括工業(yè)相機(jī)、光源、鏡頭、圖像處理軟件和圖像采集卡等，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑是通過視覺攝像機(jī)對被測對象進(jìn)行拍照，獲取被測對象信息，類似人眼視覺的功能，再通過視覺傳感、圖像采集、圖像處理和計(jì)算進(jìn)行判斷和控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對物體的自動(dòng)引導(dǎo)定位、識(shí)別、測量和檢驗(yàn)等，最終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果（控制指令）傳遞給機(jī)器末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能［10-11］。為實(shí)現(xiàn)殘留背板的去除，構(gòu)建了一整套殘留背板檢測和去除執(zhí)行系統(tǒng)，系統(tǒng)各模塊的通信連接通過以太網(wǎng)和控制電纜實(shí)現(xiàn)，連接關(guān)系如圖3所示。機(jī)器視覺獲取圖像后，進(jìn)行圖像的處理，由于背板（白色）和去除背板后的光伏組件（深灰色）顏色差別明顯，通過圖像處理軟件進(jìn)行離散化、圖像變換、分割得到全黑和全白的二值圖像。二值圖像的獲得與真實(shí)光伏板位置的確定需進(jìn)行圖像和實(shí)際尺寸的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換過程包含有用信息的圖像模板和拍攝的圖像進(jìn)行匹配，完成物體的識(shí)別，并結(jié)合系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行視覺系統(tǒng)的計(jì)算，最終獲得位姿偏差。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)的通信連接

光伏組件殘留背板面為二維平面，預(yù)先設(shè)定標(biāo)定參考物坐標(biāo)點(diǎn)A及其參數(shù)，獲取光伏組件圖像位姿信息，計(jì)算出光伏組件圖像中殘留背板位姿點(diǎn)B，通過點(diǎn)A與點(diǎn)B在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的差值，計(jì)算出殘留背板三個(gè)位姿偏差值△x，△y，△θ，將偏差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令發(fā)送給殘留背板去除機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)殘留背板位置的定位和定點(diǎn)去除。結(jié)合機(jī)器視覺和局部定點(diǎn)去除機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測-去除-檢測反饋的閉環(huán)，解決少量殘留背板的去除問題。

3 結(jié) 論

隨著光伏組件大規(guī)模地投入使用，隨之而來的光伏組件大規(guī)模退役問題日益引起人們的重視，促進(jìn)了退役光伏組件回收行業(yè)的發(fā)展，而已有光伏組件內(nèi)部的背板回收多采用燃燒和化學(xué)處理，存在嚴(yán)重環(huán)境污染問題。本文通過結(jié)合自動(dòng)控制和砂帶濕式磨削去除方式，很好的實(shí)現(xiàn)了背板的工業(yè)化大規(guī)模自動(dòng)去除，針對背板殘留問題，通過機(jī)器視覺和自動(dòng)控制的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)殘留背板的檢測、去除和檢測反饋的閉環(huán)控制，有望實(shí)現(xiàn)殘留背板的完全去除。