光伏玻璃在線檢測技術與應用

2021-06-07

光伏玻璃又稱“太陽能光伏玻璃”或“超白光伏玻璃”，主要應用于單多晶硅太陽能電池組件、光伏系統(tǒng)、薄膜太陽能組件、太陽能熱水器等領域，是太陽能模組中的關鍵部件。光伏玻璃的生產過程包含壓延、裁切、磨邊、鍍膜、鋼化等工藝段，常見缺陷可分為原料缺陷（氣泡、結石、析晶等）和加工缺陷（崩邊、崩角、劃傷、潔度），為了保證透光率、強度、安全性等要求，光伏玻璃在出廠前需要進行缺陷檢測，防止不良品流入組件生產環(huán)節(jié)造成資源損失。

光伏玻璃出廠檢驗方式可分為人工檢驗和設備檢驗兩類。目前大部分生產廠家的采用人工檢驗方式，隨著人工成本的逐年增加，同時人工操作不能保證判定規(guī)則的一致性和長期工作的穩(wěn)定性，越來越多的生產商開始嘗試設備檢測方案；

在實際使用中，評價檢測設備的主要性能指標包含漏檢率、誤檢率和工作穩(wěn)定性三方面，其中漏檢率指標主要控制不良品流入后道工序的比例，常見的設備漏檢率指標應達到1%；誤檢率指標主要控制合格品判定成不良品回收的比例，常見的設備誤檢率指標應達到1%。工作穩(wěn)定性主要指標包含穩(wěn)定工作時間和故障恢復時間，為了滿足生產需求，設備穩(wěn)定工作時間應達到2000h以上，平均故障恢復時間應小于2h。

光伏玻璃在檢測設備主要采用機器視覺技術，通過分析玻璃運行中拍攝到的圖像，判斷和識別缺陷的類型、尺寸等信息。本文主要介紹兩種常用的光伏玻璃在線檢測技術，結合應用經驗提出一些有待改進的問題和未來技術發(fā)展方向。

1. 邊角檢測設備工作原理

光伏玻璃在線邊角檢測設備能夠檢測玻璃磨邊區(qū)域的崩邊、崩角、漏底、焦邊、直角等缺陷，系統(tǒng)結構如圖1.1所示，主要包含以下幾部分：

(1) 支撐結構：包括底部支架、橫向運動模組、護罩和指示燈，主要功能是支撐、保護檢測模組，橫向運動模組允許玻璃寬度變化時將檢測模組進行橫向位置調整，指示燈用于提示設備工作狀態(tài)和產品檢測結果；

(2) 檢測模組：包括相機、鏡頭、光源，相機常用配置為工業(yè)用黑白面陣130萬像素分辨率，能夠支持成像像素精度高于0.05mm/Pixel，光源常用配置為白色條形光。檢測模組主要功能是對玻璃邊角位置成像，相機掃描玻璃邊部位置并將圖像上傳至工控機；

(3) 電控柜：包括工控機、電源控制模塊、UPS和顯示器，主要功能是控制檢測模組工作狀態(tài)，分析處理圖像并顯示結果。

圖1.1 光伏玻璃在線邊角檢測設備結構

檢測模組是在線邊角檢測設備的關鍵部件，為了滿足成像質量要求，內部光源和相機需要按照固定方式安裝，如圖1.2所示，由于正常的磨邊區(qū)域是粗糙面，部分光線經過漫反射能夠被相機接收，當磨邊區(qū)域出現崩邊、崩角、漏底等缺陷時，會改變該區(qū)域的反射系數，相機接收到的光線變化導致圖像對應區(qū)域灰度值變化，效果如圖1.3所示，通過分析灰度即可判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

圖1.2 邊角檢測模組結構

圖1.3 邊角檢測模組成像效果

2. 表面檢測設備工作原理

光伏玻璃在線表面檢測設備能夠檢測玻璃表面區(qū)域的氣泡（開口、閉口）、結石、雜物、劃傷、潔度等缺陷，系統(tǒng)結構如圖2.1所示，主要包含以下幾部分：

(1) 支撐結構：包括兩側立柱、上部橫梁、下部支撐梁和指示燈，主要功能是支撐、保護光源和相機，指示燈用于提示設備工作狀態(tài)和產品檢測結果；

(2) 相機模組：包括相機、鏡頭和調節(jié)機構，相機常用配置為工業(yè)用黑白線陣4k或8k分辨率，能夠支持成像像素精度高于0.1mm/Pixel；

(3) 光源模組：包括透射光源、反射光源和調節(jié)機構，光源常用配置為白色頻閃條形光，能夠支持高于30KHz的切換頻率；

(4) 電控柜：包括工控機、電源控制模塊、UPS和顯示器，主要功能是控制相機、光源模組工作狀態(tài)，分析處理圖像并顯示結果。

圖2.1 光伏玻璃在線表面檢測設備結構

在線表面檢測設備的關鍵部件是相機和光源模組，透射光源主要用于檢測氣泡、結石、劃傷等缺陷，主要成像原理如圖2.2所示，透射光源發(fā)出的光線可以通過玻璃表面正常區(qū)域被相機接收，當表面出現結石等瑕疵時，光線被遮擋不能通過，從而在圖像中出現低灰度區(qū)域，效果如圖2.3所示；反射光源主要用于檢測上表面缺陷，如開口泡、上表面劃傷等，主要成像原理如圖2.4所示，反射光源發(fā)出的光線在玻璃上表面正常區(qū)域通過鏡面反射被相機接收，當上表面出現破損時，光線被散射，從而在圖像中出現灰度變化，效果如圖2.5所示，通過分析灰度即可判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

圖2.2 表面透射光源成像原理

圖2.3 表面透射光源成像效果

圖2.4 表面反射光源成像原理

圖2.5 表面反射光源成像效果

3. 光伏玻璃檢測設備常見問題及改進方向

3.1 設備對于生產環(huán)境的適應性

由于光伏玻璃生產車間大部分工藝段對環(huán)境灰塵、溫度、濕度、腐蝕性氣體、玻璃定位要求不高，應用檢測設備后，玻璃邊緣的掛水和表面的吸附物容易造成誤檢，腐蝕性氣體、玻璃偏斜更是會損壞檢測器件。該問題一方面需要設備開發(fā)商提高對于環(huán)境的抗干擾能力，通過圖像處理方法降低誤檢率；另一方面也需要玻璃生產商對設備進行必要保護，如加裝定位靠筒，將設備安裝在檢測房等。

3.2 缺陷檢測自主學習功能

光伏玻璃的缺陷類型多樣、形態(tài)復雜，很難用簡單的規(guī)則實現類型的判定，現有設備通常使用基于數據庫訓練的方式制定分類規(guī)則，該方法需要的樣本量大，數據庫建立時間也較長，而且當出現數據庫中不存在的缺陷形態(tài)時，判斷正確率很低。如何提高設備自主學習能力，減少訓練過程中的人工干預，真正實現自動化檢測，也是設備開發(fā)商需要思考和解決的問題。

3.3 基于大數據和物聯網的質量管理系統(tǒng)

隨著檢測設備的不斷推廣，更多的缺陷信息（時間、類型、位置、尺寸、形態(tài)）將匯總成大數據系統(tǒng)，實現工藝、生產、質量管理的閉環(huán)，通過物聯網和手機終端實時監(jiān)控生產質量，能夠時間發(fā)現、處理質量問題，大數據技術和物聯網技術必將成為智能化車間的發(fā)展趨勢。

4. 結論

在光伏玻璃生產中，使用在線檢測設備替代人工是智能化生產的必然發(fā)展趨勢?，F有的技術已經解決了在線檢測的關鍵問題，后續(xù)在提高適應能力、自主學習能力、大數據處理能力、物聯網接入能力的基礎上，檢測設備能夠給生產帶來更高的價值。

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