王博，陶冶博，沈旭東，吳湘蓮

（嘉興職業(yè)技術(shù) 學(xué)院智能制造學(xué)院，浙江嘉興，314036）

0 引言

光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，帶動(dòng)了光伏電池需求的逐年增長(zhǎng)，然而光伏電池在生產(chǎn)和使用過(guò)程中有以下兩個(gè)問(wèn)題，制約著光伏電池的產(chǎn)量和壽命：

（1）硅片的隱裂：在電池板生產(chǎn)和使用過(guò)程中的應(yīng)力沖擊會(huì)由引起隱裂。高溫焊接時(shí)如對(duì)硅片溫度沖擊時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力從而引起光伏電池隱裂和碎片，使光伏電池內(nèi)部電路出現(xiàn)開(kāi)路，大幅降低電池板的功率。

（2）接觸電阻過(guò)大：由于焊接不良，導(dǎo)致電極與半導(dǎo)體材料間存在過(guò)大的接觸電阻。接觸電阻過(guò)大會(huì)使電池板的轉(zhuǎn)換效率大幅降低。

在光伏電池出廠前需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，這些檢測(cè)出來(lái)有缺陷的電池板如不能對(duì)故障點(diǎn)具體定位就不能對(duì)其局部進(jìn)行修復(fù)，整塊電池板只能報(bào)廢。所以對(duì)光伏電池進(jìn)行檢測(cè)和故障點(diǎn)定位是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)品的產(chǎn)量，節(jié)約生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)和必要步驟。對(duì)使用過(guò)程中有故障的太陽(yáng)能電池進(jìn)行故障定位和維修也可以延長(zhǎng)其使用壽命。

在太陽(yáng)能電池檢測(cè)方面，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池測(cè)試儀只能測(cè)試太陽(yáng)能電池的整體特性，無(wú)法對(duì)有故障的太陽(yáng)能電池的故障點(diǎn)進(jìn)行定位[1～2]。圖像識(shí)別法無(wú)法檢測(cè)出電池的內(nèi)部缺陷[3～4]。紅外圖像檢測(cè)法只能對(duì)特定的光伏材料成像，不能真實(shí)反映出電池的實(shí)際工作狀態(tài)[5～6]。對(duì)地電容檢測(cè)法與時(shí)域反射法檢測(cè)的準(zhǔn)確度不高[7～9]。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，該光伏電池故障檢測(cè)裝置直接測(cè)量每個(gè)光伏電池單元的光電流，能夠真實(shí)反應(yīng)每個(gè)電池單元的發(fā)電特性，具有檢測(cè)故障類(lèi)型全面、檢測(cè)速度快、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，包括：調(diào)制光矩陣電路、待測(cè)光伏電池、信號(hào)采集處理電路、顯示屏。調(diào)制光矩陣發(fā)出的光照射在對(duì)應(yīng)光伏電池的每個(gè)電池單元上。信號(hào)采集處理電路采集光伏電池的總輸出電流，并通過(guò)快速傅里葉變化，得到每個(gè)頻率的調(diào)制光電流的幅值。最后，根據(jù)不同頻率光生電流的幅值大小進(jìn)行故障的判斷及定位。故障判斷邏輯如下：如果電流小于最小閾值，判斷對(duì)應(yīng)頻率照射的太陽(yáng)能電池單元為開(kāi)路故障，如果電流介于最小閾值與正常值之間，判斷對(duì)應(yīng)頻率照射的太陽(yáng)能電池單元為光電轉(zhuǎn)換效率低下的故障，如果電流大于正常值，判斷對(duì)應(yīng)頻率照射的太陽(yáng)能電池單元無(wú)故障。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 信號(hào)采集處理電路示意圖

圖3 調(diào)制光產(chǎn)生電路示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，電路部分包括：信號(hào)采集處理電路和調(diào)制光產(chǎn)生電路。其中，信號(hào)采集處理電路包括：電流電壓轉(zhuǎn)換電路、微處理器、顯示屏。處理器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103單片機(jī)，它的最高工作頻率為72MHz，內(nèi)部集成了2 個(gè)12 位的μs 級(jí)的AD 轉(zhuǎn)換器（16 通道），AD 的測(cè)量范圍為0～3.6V，具有雙采樣和保持能力，滿(mǎn)足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。調(diào)制光產(chǎn)生電路包括：信號(hào)發(fā)生模塊、壓控電流源模塊、發(fā)光元件。

2.1 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

光伏電池的總短路電流需要先轉(zhuǎn)換為電壓才能被單片機(jī)的ADC 進(jìn)行采集，本文通過(guò)LM358 運(yùn)算放大器構(gòu)成跨阻放大器，實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換。由于待測(cè)電流超過(guò)了運(yùn)算放大器所能輸出的最大電流，本文在跨阻放大器的輸出端，設(shè)計(jì)了三極管擴(kuò)流電路。為了使輸出信號(hào)為正電壓，第二級(jí)設(shè)計(jì)了反相放大器將信號(hào)取反后輸出。電路如圖4 所示。

圖4 電流電壓轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 信號(hào)發(fā)生模塊

調(diào)制光矩陣的每個(gè)光源都需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)。本文采用ICL8038 芯片實(shí)現(xiàn)該功能。ICL8038 是一款具有多種波形輸出的精密振蕩集成芯片，該芯片能產(chǎn)生從0.001Hz ～300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等周期信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比可以獨(dú)立控制。電路如圖5 所示。

圖5 信號(hào)發(fā)生電路圖

2.3 壓控電流源模塊

本文采用大功率LED 作為發(fā)光元件，信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光元件。本文設(shè)計(jì)了壓控電流源電路，將不同頻率的正弦信號(hào)輸入壓控電流源驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光，使LED 的發(fā)光強(qiáng)度成正弦波形周期變化。壓控電流源通過(guò)LM358 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRF84115 進(jìn)行擴(kuò)流。電路如圖6 所示。

圖6 壓控電流源電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，工作過(guò)程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后通過(guò)ADC 采集光伏電池的總短路電流，然后單片機(jī)通過(guò)快速傅里葉變換獲得不同頻率的電流幅值，并進(jìn)行歸一化處理。最后根據(jù)歸一化電流幅值的大小，判斷對(duì)應(yīng)的電池單元是否有故障，以及故障的類(lèi)型。程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

3.1 調(diào)制光電流幅值計(jì)算

光伏電池的總短路電流需要先轉(zhuǎn)換為電壓才能被單片機(jī)的ADC 進(jìn)行采集，本文通過(guò)LM358 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)跨阻放大器實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，電流計(jì)算公式如下：

其中，I為光伏電池的總短路電流，單位是安培(A) ，U為跨阻放大器的輸出電壓，單位是伏特(V) ，R為跨阻放大器反饋電阻，單位是歐姆(Ω)，本設(shè)計(jì)R 取10Ω。

采集光伏電池的總短路電流后，需要對(duì)各個(gè)頻率的調(diào)制光電流進(jìn)行幅值計(jì)算，本系統(tǒng)采用快速傅里葉變換提取各個(gè)頻率點(diǎn)電流的幅值。本系統(tǒng)采用STM32F103 單片機(jī)作為核心處理器，采樣率設(shè)定為143.712kHz，快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)為1024 個(gè)，頻率分辨率為0.1403kHz，各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為n*0.1403kHz，其中n 的取值范圍為0～511。

為了獲得更好的測(cè)量結(jié)果，調(diào)制光信號(hào)的調(diào)制頻率應(yīng)設(shè)定在n*0.1403kHz 上。

3.2 故障診斷

為了方便故障診斷，需要對(duì)光電流幅值進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理方法如下：

其中，In為第n 路測(cè)得的調(diào)制光電流幅值，單位是安培(A)，InMAX為使用標(biāo)準(zhǔn)光伏電池校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)，第n 路測(cè)得的調(diào)制光電流幅值，單位是安培(A)，an為第n 路測(cè)量結(jié)果的歸一化值。

太陽(yáng)能電池的故障模式有很多，常見(jiàn)的有隱裂導(dǎo)致內(nèi)部電池單元開(kāi)路，以及因電極條與硅材料焊接問(wèn)題導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大。

隱裂問(wèn)題可以通過(guò)判斷輸出總電流中對(duì)應(yīng)頻率的分量歸一化值是否接近0 來(lái)檢測(cè)和定位。系統(tǒng)設(shè)定歸一化值小于0.10 判斷為對(duì)應(yīng)電池單元有隱裂問(wèn)題。

因電極條與硅材料焊接問(wèn)題導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大而影響轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，會(huì)影響對(duì)應(yīng)光電流的幅值，可以通過(guò)判斷各個(gè)頻率分量電流歸一化值的衰減程度，來(lái)判斷是否有該故障。系統(tǒng)設(shè)定歸一化值介于0.10～0.90 之間時(shí)，判斷為對(duì)應(yīng)電池單元有接觸電阻過(guò)大的問(wèn)題。歸一化值大于0.90時(shí)，判斷為對(duì)應(yīng)電池單元無(wú)故障。

3.3 用戶(hù)交互界面

本文設(shè)計(jì)的基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置的用戶(hù)交互界面如圖8 所示。

圖8 測(cè)量結(jié)果顯示界面

第一行顯示檢測(cè)的太陽(yáng)能電池單元號(hào)，該項(xiàng)數(shù)據(jù)可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的電池板單元數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，第二行顯示每個(gè)電池單元的檢測(cè)結(jié)果，顯示“ok”表示該單元無(wú)故障，顯示“ERROR_0”表示該單元存在開(kāi)路故障，顯示“ERROR_1”表示該單元存在接觸電阻過(guò)大的故障。第三行顯示測(cè)得的每個(gè)電池單元光電流的歸一化值。為了準(zhǔn)確的計(jì)算每路電池單元的歸一化值，系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)量前，需要使用一塊無(wú)故障的待測(cè)光伏電池進(jìn)行每路光電流最大值的測(cè)量。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試該基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，本文設(shè)計(jì)了光伏電磁故障模擬電路，如圖9 所示。

圖9 光伏電池故障模擬電路

該電路由4 塊光伏電池單元2 塊串聯(lián)后再并聯(lián)組成一塊光伏電池。為了模擬電池單元開(kāi)路和接觸電阻過(guò)大的故障，在每個(gè)光伏電池單元輸出端串聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)可以使光伏電池單元處于3 種狀態(tài)：(1)直接接入電池組；(2)開(kāi)路；(3)串聯(lián)一個(gè)電阻再接入電池組。用于分別模擬電池正常狀態(tài)、隱裂導(dǎo)致開(kāi)路以及由于焊接問(wèn)題導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大3 種狀態(tài)。

使用該電路模擬光伏電池各種故障，對(duì)本文設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 測(cè)試環(huán)境照片

由測(cè)試結(jié)果可知：4 塊光伏電池在開(kāi)路狀態(tài)下，均一化光電流均小于0.1，正常狀態(tài)下，均一化光電流大于0.4。接觸電阻為100Ω 時(shí)，均一化光電流介于0.1～0.4 之間。因此，可以根據(jù)每塊光伏電池的均一化光電流大小對(duì)每塊太陽(yáng)能電池的故障狀態(tài)進(jìn)行判斷。

將上述故障診斷閾值在裝置中進(jìn)行設(shè)置，使用該裝置對(duì)光伏電磁故障模擬電路設(shè)置的電池狀態(tài)進(jìn)行判斷，判斷結(jié)果如表1 所示。

表1 光伏電池故障診斷結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知：該系統(tǒng)可以對(duì)光伏電磁故障模擬電路設(shè)置的電池狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

5 結(jié)論

為了解決光伏電池檢測(cè)設(shè)備中，傳統(tǒng)光伏電池測(cè)試儀只能測(cè)試光伏電池的整體特性，外觀圖像檢測(cè)法、紅外圖像檢測(cè)法、對(duì)地電容檢測(cè)法與時(shí)域反射法等存在無(wú)法真實(shí)測(cè)量光伏電池的實(shí)際工作狀態(tài)，準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)并制作了一種基于調(diào)制光矩陣的光伏電池故障檢測(cè)裝置，該裝置由調(diào)制光矩陣電路、待測(cè)光伏電池、信號(hào)采集處理電路、顯示屏構(gòu)成。通過(guò)對(duì)每個(gè)光伏電池單元單獨(dú)照射不同頻率的光信號(hào)，形成電池單元光電流疊加的短路電流，通過(guò)快速傅里葉變換分離不同頻率的光生電流，根據(jù)不同頻率光生電流的幅值實(shí)現(xiàn)故障的判斷及定位。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該裝置可以對(duì)光伏電磁故障模擬電路設(shè)置的電池狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。該光伏電池故障檢測(cè)及定位裝置相比現(xiàn)有技術(shù)，具有檢測(cè)故障類(lèi)型全面、檢測(cè)速度快、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。