一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法及系統與流程
2023-10-23 10:29:27 1
本發明特別涉及一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法及系統，屬於光伏電池檢測技術領域。
背景技術：
隨著這幾年國內光伏產業迅速發展以及光伏系統安裝容量的快速增長，光伏系統的運行安全性和可靠性問題逐漸顯露。而光伏電池及組件已成為我國能源轉型的關鍵設備，因此光伏電池及組件的質量檢測和性能評估就顯得尤為重要。
光伏電池的使用環境千差萬別，不同的環境因素如輻照、溫度、溼度等對在役光伏電池及組件的工作效率影響機制不盡相同。並且光伏電池的缺陷類型以及不同缺陷對光伏電池發電性能的影響也不盡相同。
其中，根據iec61646、iec61215等國際標準對光伏組件的性能評估顯示，熱斑、溼熱老化、高低溫循環等試驗環境使組件產生較高的失效率，而在光伏的實際應用中往往顯示出旁通二極體失效、柵線界面失效、封裝膠膜脫層、匯流條鏽蝕、背板裂紋等多種缺陷失效形式，從而導致組件的光電性能下降幅度遠超過預期，甚至引發火災。
現有市場上的光伏電池檢測技術存在很大的局限性，如檢測速度慢，需要和光伏電池及組件接觸式檢測，很難實現局部的細微缺陷評價等。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法及系統，對光伏電池進行快速、非接觸式、細微評估的無損檢測。為提升光伏電池性能、保證質量、降低成本提供有效支持。
發明的技術解決方案如下：
一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法，包括以下步驟：
a.通過電磁感應激勵模塊及電磁感應激勵線圈，將參數可控的激勵信號以電磁感應方式對光伏電池及組件進行非接觸式、非侵入式加載，使光伏電池及組件內部產生電渦流，影響載流子平衡，產生光輻射和熱輻射；
b.採用平面陣列感應線圈對光伏電池及組件的電磁場進行非接觸式快速測量，採集多個頻率下對應的阻抗信息建立資料庫；
c.結合顯微系統和/或光電探測器對光伏電池及組件因電磁感應而產生的光輻射和熱輻射進行高解析度和高靈敏度的快速測量和成像，採用集成性的熱、光快速鎖相顯微成像系統分析渦流場分布和光伏電池內部載流子行為；
d.綜合利用多頻阻抗信息、光輻射幅值、溫度變化的幅值、溫度變化的相位作為特徵值，輔之以支持向量機算法或人工神經網絡算法，對多頻阻抗信息、光輻射信號和熱輻射信號進行處理，提取可表徵屬性、缺陷和健康度的特徵值，通過控制系統判斷所測的光伏電池是否故障。
優選的，在步驟b中，採用平面陣列感應線圈對光伏電池及組件的電磁場進行非接觸式快速顯微測量，所述平面陣列感應線圈具有多個微型渦流傳感器線圈，其製作流程為：首先在基片上澱積電鑄用的種子金屬層，再在其上塗上光刻膠，然後用紫外光源光刻顯影形成膠膜圖形，再電鑄上金屬，去掉光刻膠，形成金屬微結構。
優選的，在步驟b中，採集多個頻率下對應的阻抗信息建立資料庫，當平面陣列感應線圈在工作狀態時，其輸出信號的參數變化值直接反應了被測對象狀態的變化，為了準確地提取出被測對象的狀態變化信息，需要對阻抗信息進行準確估計，由於激勵信號頻率已知，檢測信號頻率和激勵信號相同，所以檢測信號的參數估計問題實質上為確定已知頻率信號的參數估計問題，通過阻抗分析儀和正交鎖定放大技術來實現阻抗的測量，具體流程為：1)採用阻抗分析儀來進行阻抗分析，對傳感器和檢測電路進行初步驗證，搭建實驗平臺，開展實驗研究；2)研發數字鎖相放大技術對多通道阻抗進行測量，先對經過放大、濾波後的檢測信號和激勵信號進行同步採樣，得到被測信號序列和參考序列，再採用數字式正交鎖定放大方法提取微弱信號的幅值和相位，求解得到阻抗的實部和虛部。
優選的，在步驟c中，通過熱像儀和短波紅外相機或ccd相機捕捉光、熱輻射，與驅動採集與圖像處理電路相連，生成熱像圖和短波紅外圖；將實測數據與理論計算數據進行對比，對圖像模型進行修正，搭建試驗系統，建立缺陷與溫度場異常和載流子異常的關係資料庫，判斷光伏電池的缺陷分布。
進一步，在步驟c中，為準確測量光伏電池表面受電磁激勵之後的瞬時光輻射和溫度分布，採用光電探測器，並且搭配可移動平臺，光電探測器具有高的採樣速度，通過單點式的光電探測器對光伏電池及組件周期性和非周期性的瞬態光輻射和溫度進行高時間解析度的測量，實現對光伏電池及組件單點位置或缺陷處因電磁感應而產生的光輻射和熱輻射進行高解析度和高靈敏度的快速測量和成像。
優選的，在步驟d中，使用適當的數學模型和i-v特性分析，表徵光伏電池及組件的相關電參數：光生電流、短路電流、開路電壓、理想因子、串聯電阻、並聯電阻、反向飽和電流、填充因子和發電效率中的一種或多種，綜合利用多頻轉移阻抗、光輻射幅值、溫度變化的幅值、溫度變化的相位作為特徵值，輔之以支持向量機算法、人工神經網絡算法，可以對被測對象的缺陷以及整體健康度進行定量評價。
一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測系統，包括測試平臺、電磁感應激勵模塊及電磁感應激勵線圈、平面陣列感應線圈及阻抗信號檢測模塊、缺陷檢測與性能評估模塊、短波紅外相機或ccd相機、熱像儀和光電探測器；所述測試平臺上方放置光伏電池及組件，所述測試平臺上方設置有短波紅外相機或ccd相機、熱像儀和光電探測器，所述短波紅外相機或ccd相機、熱像儀和光電探測器的信號輸出端連接缺陷檢測與性能評估模塊，所述電磁感應激勵線圈和平面陣列感應線圈分別設置於所述測試平臺上方光伏電池及組件附近。
進一步，所述平面陣列感應線圈由多個細微方形螺旋線圈或細微圓形螺旋線圈呈陣列組合排列而成。
進一步，所述平面陣列感應線圈採用兩層結構、厚絕緣層技術來隔離線圈與高損耗襯底設計；採用高阻或絕緣襯底降低襯底漏電損耗和渦流損耗；採用接地屏蔽的方法來減小襯底損耗；採用cu、au代替al作為線圈材料降低線圈自阻損耗。
進一步，所述平面陣列感應線圈為採用螺線管線圈或自組裝線圈的新型三維結構線圈。
有益效果：
1.本發明的一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法及系統，在靠近光伏電池及組件上方，利用激勵線圈電磁感應激勵後，對光伏電池及組件多頻阻抗、電致發光和熱輻射的測量，通過集成性的光、熱輻射鎖相顯微成像系統，獲取多個所述光伏電池片的熱成像圖和短波紅外成像圖，光電探測器搭配可移動平臺實現瞬時溫度場快速測量。
2.平面陣列感應線圈對光伏電池及組件的電、磁、光、熱等信息進行快速和精密測量，實現非接觸式、細微、在役檢測。融合機器學習、人工神經網絡算法對光伏電池及組件的屬性、缺陷及健康度進行細微和定量評價，解決現有採用接觸式檢測，無法檢測細微缺陷，無法實現在役檢測，檢測速度慢等的不足。綜合利用多頻阻抗信息、光輻射和熱輻射信息對光伏電池的性能(伏安特性、填充因子、效率)、缺陷類型和整體健康度進行定量評價，為光伏電池產業鏈的有序運行提供理論、方法和技術支持。此方法和系統具有非接觸、快速檢測、細微評價、評估參數多、定量檢測等優點，可為光伏電池損傷檢測和性能評估提供一種可靠、快速的檢測手段，有助於提升我國光伏電池產業的創新能力。
附圖說明
圖1為光伏電池無損檢測系統的結構示意圖；
圖2為光伏電池無損檢測方法的流程圖；
1：短波紅外相機或ccd相機；2：熱像儀；3：掃描模塊；4：光電探測器；5：缺陷檢測與性能評估模塊；6：損傷或者缺陷；7：平面陣列感應線圈；8：光伏電池及組件；9：阻抗信號檢測模塊；10：電磁感應激勵模塊；11：電磁感應激勵線圈。
具體實施方式
為了便於理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本文發明做更全面、細緻地描述，但本發明的保護範圍並不限於一下具體實施例。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，並不是旨在限制本發明的保護範圍。
圖1-2，一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法，包括以下步驟：
a.通過電磁感應激勵模塊及電磁感應激勵線圈，將參數可控的激勵信號以電磁感應方式在光伏電池及組件正上方進行非接觸式、非侵入式加載，即對該激勵線圈施加一定參數的交變電流，將激勵線圈靠近光伏電池，使光伏電池處於變化的電流產生的變化的磁場中。在不對光伏電池及組件接觸的情況下使其內部產生電渦流，影響載流子平衡，產生光輻射和熱輻射；
b.採用平面陣列感應線圈對光伏電池及組件的電磁場進行非接觸式快速測量，採集多個頻率下對應的阻抗信息建立資料庫；若光伏電池的各項特性發生改變，比如光伏電池的電導率、厚度有異常或存在其他缺陷，則原渦流場隨之改變，通過線圈探測出由線圈原電流和渦流共同作用的磁場變化。所述平面陣列感應線圈由多個細微感應線圈或磁傳感器組成。
優選的，採用平面陣列細微感應線圈對光伏電池及組件的電磁場進行非接觸式快速測量。其中，所述平面陣列細微感應線圈採用微機電系統(microelectromechanicalsystem,mems)技術製備，從而大幅度提高傳感器的空間解析度，增強對微損傷的檢測能力，提高對光伏電池關鍵部件微小裂紋或損傷的檢測和監測能力，通過其感應電流的大小、相位對光伏電池性能和缺陷進行定量檢測。同時通過uv-liga微加工技術，來實現平面陣列細微感應線圈上的許多個微型渦流傳感器線圈的製作。製作流程為：首先在基片上澱積電鑄用的種子金屬層，再在其上塗上光刻膠，然後用紫外光源光刻顯影形成膠膜圖形，再電鑄上金屬，去掉光刻膠，形成金屬微結構。採用微細電鑄技術製作，實現厚度為幾百微米、直徑達幾毫米甚至十毫米的大面積微結構，從而大幅度提高傳感器的空間解析度，增強對微損傷的檢測能力。進一步，檢測線圈陣列中的線圈單元設計為細微方形螺旋線圈或圓形螺旋線圈。檢測陣列線圈採用兩層結構、厚絕緣層技術來隔離線圈與高損耗襯底設計；採用高阻或絕緣襯底降低襯底漏電損耗和渦流損耗；採用接地屏蔽的方法來減小襯底損耗；採用cu、au代替al作為線圈材料降低線圈自阻損耗；選擇介質層材料降低線圈的饋通電容；優化線圈尺寸，減小線圈間距、減小內圈線寬；採用螺線管線圈、自組裝線圈等新型三維結構線圈。
在步驟b中，採集多個頻率下對應的阻抗信息建立資料庫，當平面陣列感應線圈在工作狀態時，其輸出信號的參數，如幅度、相位，變化值直接反應了被測對象狀態的變化，為了準確地提取出被測對象的狀態變化信息，需要對阻抗信息進行準確估計，由於激勵信號頻率已知，檢測信號頻率和激勵信號相同，所以檢測信號的參數估計問題實質上為確定已知頻率信號的參數估計問題，通過阻抗分析儀和正交鎖定放大技術來實現多通道阻抗的測量，其中，正交鎖定放大技術也稱之為數字鎖定放大技術。具體流程為：1)採用阻抗分析儀來進行阻抗分析，對傳感器和檢測電路進行初步驗證，搭建實驗平臺，開展實驗研究；2)研發數字鎖相放大技術對多通道阻抗進行測量，先對經過放大、濾波後的檢測信號和激勵信號進行同步採樣，得到被測信號序列和參考序列，再採用數字式正交鎖定放大方法提取微弱信號的幅值和相位，求解得到阻抗的實部和虛部。
進一步，可選的，在步驟b中，還可以採用多種不同類型缺陷的光伏電池及組件製作成樣本進行檢測，得到不同的數據模型,所述樣本包括隱裂樣本、局部缺陷樣本、細微缺陷樣本和材料汙染樣本中的一種或幾種。
c.結合顯微系統和/或光電探測器對光伏電池及組件因電磁感應而產生的光輻射和熱輻射進行高解析度和高靈敏度的快速測量和成像，採用集成性的熱、光快速鎖相顯微成像系統分析渦流場分布和光伏電池內部載流子行為；
優選的，在步驟c中，實際檢測中，缺陷的可檢測性取決於缺陷導致的信號變化量與傳感器的靈敏度。在傳感器靈敏度固定的前提下，只有提高信噪比，才能增大缺陷的可檢測性和可檢測深度。通過鎖相技術對周期性信號進行處理和分析，實現高靈敏度光熱輻射測量和缺陷檢測。在檢測中，需要讓光伏電池工作在周期電磁激勵下，產生周期性的光熱輻射，再熱像儀a6702sc配置顯微鏡頭來實現高空間解析度的熱輻射成像。此外，還將給短波紅外相機robcat320搭配顯微鏡頭實現光輻射的高空間解析度成像。通過熱像儀和短波紅外相機或ccd相機捕捉光、熱輻射，與驅動採集與圖像處理電路相連，生成熱像圖和短波紅外圖；將集成性的光、熱輻射實測數據與理論計算數據進行對比，對圖像模型進行修正，搭建試驗系統，建立缺陷與溫度場異常和載流子異常的關係資料庫，判斷光伏電池的缺陷分布。
進一步，在步驟c中，為準確測量光伏電池表面受電磁激勵之後的瞬時光輻射和溫度分布，採用光電探測器，並且搭配可移動平臺，光電探測器具有高的採樣速度，通過單點式的光電探測器對光伏電池及組件周期性和非周期性的瞬態光輻射和溫度進行高時間解析度的測量，實現對光伏電池及組件單點位置或缺陷處因電磁感應而產生的光輻射和熱輻射進行高解析度和高靈敏度的快速測量和成像。
d.綜合利用平面陣列感應線圈採集光伏電池及組件不同區域的多頻阻抗信息、光輻射幅值、溫度變化的幅值、溫度變化的相位作為特徵值，輔之以支持向量機算法或人工神經網絡算法，對多頻阻抗信息、光輻射信號和熱輻射信號進行處理，提取可表徵屬性、缺陷和健康度的特徵值，通過控制系統判斷所測的光伏電池是否故障。
優選的，在步驟d中，使用適當的數學模型和i-v特性分析，表徵光伏電池及組件的相關電參數：光生電流、短路電流、開路電壓、理想因子、串聯電阻、並聯電阻、反向飽和電流、填充因子和發電效率中的一種或多種，最後綜合利用多頻轉移阻抗、光輻射幅值、溫度變化的幅值、溫度變化的相位作為特徵值，輔之以支持向量機算法、人工神經網絡算法，可以對被測對象的缺陷以及整體健康度進行定量評價。基本思路如下：①訓練集的產生。基於模型和試驗，分別獲得光伏電池的多頻阻抗值、光輻射、熱輻射等信息作為輸入量，提取可表徵光伏電池的整體健康度的指標作為輸出量。輸入量和輸出量構成一個訓練樣本，多個訓練樣本組成訓練集；②建立反演模型。擬採用神經網絡或支持向量機等機器學習方法建立反演模型，該模型的輸入層是多頻阻抗值、光輻射、熱輻射等信息，輸出層是光伏電池整體健康度指標；③反演模型的訓練。把訓練集輸入反演模型，對模型進行訓練，得到預測模型；④把實際測量的多頻阻抗值、光輻射、熱輻射等信息輸入預測模型，反演出光伏電池整體健康度指標。
具體實施方式，一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測方法，包括以下步驟：
1)在一個給定光照與溫度條件下，將光伏電池置於測試平臺，使用電磁感應激勵模塊10給激勵線圈11施加一個脈衝信號。
2)光伏電池及組件8受激勵線圈11電磁感應激勵之後表面產生渦流場分布，打破內部載流子平衡，並產生光輻射和熱輻射。
3)通過紅外熱像儀2採集光伏電池表面的溫度分布數據，形成熱像圖，利用損傷或者缺陷6附近溫度場的異常判斷損傷的位置；並通過掃描模塊4控制光電探測器3採集光伏電池8表面的瞬時溫度場。
4)通過短波紅外相機或ccd相機1捕捉光輻射信息，分析光伏電池及組件內部空穴與電子輻射複合產生的載流子行為，判斷損傷類型。將光伏電池的擴散長度、載流子濃度圖像用於表徵電池的各種電參數，並能有效的反映出光伏電池中的缺陷或雜質的位置分布。
5)阻抗信號檢測模塊9利用平面陣列感應線圈7進行多個頻率下對應的阻抗信號檢測，提取可表徵屬性、缺陷和健康度的特徵值。
6)缺陷檢測與性能評估模塊5對採集的光伏電池光、熱數據進行數據處理、缺陷檢測和性能評估；
7)將缺陷影響較大的光伏電池及組件挑選出來。
前述的步驟中,電池缺陷檢測和性能分析與溫度場、分布關係資料庫的建立包括以下步驟：
7-1)計算均勻輻照分布、初始組件溫度條件下，分別採用單片低純矽電池、隱裂電池、材料汙染和局部缺陷等不同缺陷製作成光伏組件；
7-2)採用紅外熱像儀和短波紅外相機或ccd相機對多組光伏組件進行光熱輻射測量，得到不同缺陷類型光伏電池表面形成的異常溫度場和光子輻射圖像；
7-3)搭建試驗系統,將實測數據和理論計算數據進行對比，對光、熱輻射模型進行修正，形成光伏電池缺陷狀態與溫度、光子分布關係數據。
一種基於感應光熱輻射的光伏電池無損檢測系統，包括測試平臺、電磁感應激勵模塊10及電磁感應激勵線圈11、平面陣列感應線圈7及阻抗信號檢測模塊9、缺陷檢測與性能評估模塊5、短波紅外相機或ccd相機1、熱像儀2、掃描模塊3和光電探測器4；所述測試平臺上方放置光伏電池及組件8，所述測試平臺上方設置有短波紅外相機或ccd相機1、熱像儀2和光電探測器4，所述短波紅外相機或ccd相機1、熱像儀2和光電探測器4的信號輸出端連接缺陷檢測與性能評估模塊5，所述電磁感應激勵線圈11和平面陣列感應線圈7分別設置於所述測試平臺上方光伏電池及組件8上方。
所述缺陷檢測與性能評估模塊5也可稱之為光熱信號圖像採集系統與圖像處理電路。
進一步，所述平面陣列感應線圈7為陣列細微感應線圈，所述平面陣列感應線圈7為方形螺旋線圈或圓形螺旋線圈。所述平面陣列感應線圈7由多個細微方形螺旋線圈或細微圓形螺旋線圈呈陣列組合排列而成，可以實現對細小缺陷進行檢測。
進一步，所述平面陣列感應線圈7為雙層結構帶厚絕緣層的隔離線圈，進一步，所述平面陣列感應線圈採用兩層結構、厚絕緣層技術來隔離線圈與高損耗襯底設計；採用高阻或絕緣襯底降低襯底漏電損耗和渦流損耗；採用接地屏蔽的方法來減小襯底損耗；採用cu、au代替al作為線圈材料降低線圈自阻損耗。選擇介質層材料降低線圈的饋通電容；優化線圈尺寸，如減小線圈間距、減小內圈線寬；所述平面陣列感應線圈7為採用螺線管線圈或自組裝線圈的三維結構線圈，即，所述平面陣列感應線圈為採用螺線管線圈或自組裝線圈的新型三維結構線圈。
具體實施方式：如圖2所示，在絕緣的測試平臺,設置金屬板，測試平臺採用絕緣、保溫材料製成，光伏電池及組件8平鋪放上，成像系統置於光伏電池及組件8的上方，所述成像系統由短波紅外相機或ccd相機1、熱像儀2、缺陷檢測與性能評估模塊構成。缺陷檢測與性能評估模塊包括驅動採集與圖像處理電路。在一段時間內，存在損傷或者缺陷6區域，溫度上升明顯，載流子輻射複合少。通過成像系統採集光伏電池及組件8的光、熱輻射分布數據,經驅動採集與圖像處理電路進行處理,可生成光、熱分布圖像,與損傷或者缺陷6處分布關係資料庫比較，即可對電池局部缺陷做出判斷，避免實際使用過程產生失效故障問題。其次用由多個微小線圈組成的平面陣列感應線圈7建立光伏電池及組件8在電磁感應激勵下的非接觸多頻阻抗測量，將每一個小線圈連接到數據採集系統，即阻抗信號檢測模塊9，做到光伏電池及組件8的微小缺陷檢測。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。