孟祥云，張大為 ，王 琦 ，劉立新， 羅國甘， 鄧小鋼，高 波 ，劉先文

(1.中電投東北新能源發(fā)展有限公司，沈陽 110117；2.晶澳太陽能光伏科技有限公司，邢臺 055550； 3.晉能清潔能源科技股份公司，晉中 030600；4.協(xié)鑫光伏科技有限公司，蘇州 215000； 5.國家電投集團能源科技工程有限公司科學(xué)研究院，上海 201102；6.江蘇舜大新能源股份有限公司，揚州 225000)

0 引言

溫室氣體排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的原因之一，為響應(yīng)國家的節(jié)能減排號召，大量光伏電站、風電場等應(yīng)運而生。在光伏電站中，光伏組件的熱斑現(xiàn)象較為普遍，是當前光伏電站業(yè)主較為注重的問題，因為該現(xiàn)象若長期得不到解決，輕則會造成光伏組件的性能衰減，重則會引發(fā)火災(zāi)。

光伏電站中的植物、架空電纜、光伏組件表面的污漬等都會對光伏組件產(chǎn)生遮擋，從而在組件的陰影部位會形成臨時過熱區(qū)域；在移除遮擋物或清潔光伏組件表面后，過熱區(qū)域會立刻消失。但臨時過熱區(qū)域因溫度過高，熱應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致太陽電池產(chǎn)生隱性裂紋(下文簡稱“隱裂”)。隱裂是導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的原因之一，而通過對光伏組件進行隱裂檢測，能有效避免光伏組件出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象。電致發(fā)光(EL)是檢測光伏組件是否存在隱裂的有效方式，但EL檢測產(chǎn)生的隱裂圖片的信息管理工作的工作量非常大，且隱裂形態(tài)相近容易造成混淆。基于此，本文根據(jù)核電站采用ACCESS數(shù)據(jù)庫的經(jīng)驗，利用ACCESS數(shù)據(jù)庫對上海某光伏電站在光伏組件隱裂檢測過程中產(chǎn)生的隱裂圖片等信息進行管理。

1 光伏組件隱裂檢測的介紹

1.1 光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電的原理為：室溫下硅的禁帶寬度約為1.12 eV，當半導(dǎo)體材料吸收或透過的太陽光能量大于硅的禁帶寬度時，將激發(fā)電子-空穴對在p-n結(jié)內(nèi)建電場作用下分開，電子移向n區(qū)，空穴趨向p區(qū)。p區(qū)電子(少子)擴散到p-n結(jié)電場并穿過p-n結(jié)到達n區(qū)，變成多子；p-n結(jié)兩端的電勢在外接負載時，形成回路[1]。

光伏組件是實現(xiàn)光伏發(fā)電的重要設(shè)備，而太陽電池是光伏組件的核心部件。在光伏組件的生產(chǎn)、運輸、裝卸、儲存及安裝過程中，太陽電池都有可能因為機械應(yīng)力等原因而產(chǎn)生隱裂。因此，需對光伏組件的生產(chǎn)、運輸、裝卸、儲存及安裝過程進行監(jiān)督，并及時對光伏組件進行檢測，以避免使用存在隱裂的太陽電池或光伏組件。而在上述這些過程中出現(xiàn)隱裂，可以通過替換有問題的太陽電池或直接報廢有問題的光伏組件等方式進行處理。

1.2 EL檢測原理及流程

光伏組件隱裂檢測通常采用EL檢測。EL的原理為：通過施加在光伏組件兩端電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子撞擊發(fā)光中心，而電子在能級間躍遷、變化、復(fù)合，從而導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象；然后通過利用CCD相機輔助捕捉這些光子，再利用計算機進行處理并以圖片的形式顯示在屏幕上[2]。若光伏組件存在隱裂，則隱裂在圖片上會顯示不同的形態(tài)。

EL檢測過程中，向光伏組件施加的電壓應(yīng)大于其開路電壓1～2 V、施加的電流應(yīng)小于其短路電流，而通電時間在滿足檢測要求的條件下應(yīng)盡可能短。CCD相機的成像時間一般為2.5～10 s，在考慮了成像時間、光伏組件電流等參數(shù)及成像的清晰度后，ISO感光度應(yīng)盡可能選擇較小的參數(shù)。

1.3 隱裂的形態(tài)

太陽電池隱裂的形態(tài)[3]。2011年，德國的哈梅林太陽能研究所(ISFH)公布的研究成果顯示：太陽電池的隱裂可分為5類，分別為樹狀裂紋、綜合型裂紋、45°斜裂紋、平行(或垂直)于主柵線的裂紋和貫穿整個太陽電池的裂紋，具體如圖1所示。

圖1 不同類型的太陽電池隱裂Fig. 1 Different types of solar cell hidden cracks

1)樹狀裂紋，也稱為“片裂”。此種裂紋是在太陽電池受力面積較大或在一條裂紋的基礎(chǔ)上壓延形成的，其進一步發(fā)展可導(dǎo)致太陽電池破碎或產(chǎn)生熱斑，從而影響光伏電站的發(fā)電量與安全性。

2)綜合型裂紋，也稱為“十字裂”。此種裂紋是因太陽電池翹曲處受到的點狀應(yīng)力集中及材料脆性產(chǎn)生的裂紋擴展形成的，其進一步發(fā)展可導(dǎo)致太陽電池破碎或產(chǎn)生熱斑。

3) 45°斜裂紋，也稱為“45°線裂”。此種裂紋是由于太陽電池彎曲而整體承受剪切力，集中的應(yīng)力超過晶體硅的剪切強度而產(chǎn)生的，其進一步發(fā)展可導(dǎo)致太陽電池缺角、碎片和產(chǎn)生熱斑。

4)平行(或垂直)于主柵線的裂紋，也稱為“大裂紋”。此種裂紋是因太陽電池受到局部較小沖擊力或整體圓弧變形的應(yīng)力集中而產(chǎn)生的，其進一步發(fā)展可導(dǎo)致太陽電池產(chǎn)生熱斑、短路、碎片或形成貫穿整個太陽電池的裂紋等。

5) 貫穿整個太陽電池的裂紋，也稱為“貫裂”。此種裂紋是由于太陽電池形變導(dǎo)致應(yīng)力集中遠超過晶體硅的剪切強度而直接產(chǎn)生，或是由于單個大裂紋因壓延或因熱脹冷縮而擴展形成的；其進一步發(fā)展可導(dǎo)致太陽電池破碎或產(chǎn)生熱斑。

1.4 隱裂檢測的信息記錄

對光伏組件進行EL檢測后需對相關(guān)信息進行記錄，工作人員可根據(jù)記錄的信息查找到已檢測光伏組件的具體位置，也可以再現(xiàn)隱裂檢測結(jié)果或查看隱裂的擴張歷程。信息記錄中的基本信息包括光伏組件所在區(qū)域名稱、光伏組串號、光伏組件制造商名稱、光伏組件型號、光伏組件序列號，以及檢測設(shè)備類型、隱裂圖片編號、檢測日期、檢測人員姓名等；若臨時增加了檢測項目，則需另外增加一欄檢測項目名稱，比如，可增加針對隱裂圖片評審的審核結(jié)果欄(可填寫“無超標缺陷”或?qū)θ毕葸M行總體描述)或針對5大太陽電池隱裂類型的光伏組件數(shù)量欄。

信息記錄和進行信息管理時，常用的工具為WPS Office表格或ACCESS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表。WPS Office表格的優(yōu)點是簡短，可記錄當天處理的隱裂檢測數(shù)據(jù)；缺點是難以實現(xiàn)智能化管理和數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)表的自動備份，且圖片的顯示方式單一。ACCESS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表可通過學(xué)習(xí)Visual Basic(簡稱“VB”)語句拓展圖片的預(yù)覽功能，圖片審核便捷；但缺點是對輸入信息的準確性、唯一性要求偏高，且數(shù)據(jù)輸入工作較為繁重。因此本文提出的信息管理方法采用ACCESS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表與WPS Office表格相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集處理方式，以提高工作效率。

在ACCESS數(shù)據(jù)庫中需針對隱裂檢測圖片建立專用文件夾進行存儲，其中，圖片名稱、基礎(chǔ)信息需保持原樣，并以檢測時間的先后為軸線，復(fù)現(xiàn)檢測過程。

2 ACCESS數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)

由于光伏隱裂檢測一般是在夜間進行，受隱裂檢測環(huán)境的影響，隱裂圖片常有缺損、黑片、模糊等廢片出現(xiàn)。因此在數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫之前，需將相關(guān)廢片刪除。將光伏組件隱裂圖片的基礎(chǔ)信息錄入ACCESS數(shù)據(jù)庫中，按照數(shù)據(jù)庫信息的邏輯關(guān)系，通過查詢來實施數(shù)理統(tǒng)計，并將結(jié)果在窗體中體現(xiàn)，必要時通過VB語句來補充完善ACCESS數(shù)據(jù)庫的功能。

2.1 數(shù)據(jù)表

在隱裂檢測記錄的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)表通過增加OLE容器欄目來存放隱裂圖片，并通過點擊相應(yīng)信息進行查閱。但這種操作的缺點是數(shù)據(jù)表會占據(jù)較大內(nèi)存，降低計算機的運行速率。因此也可以通過增加隱裂圖片存儲鏈接來實現(xiàn)利用數(shù)據(jù)表查閱隱裂圖片的功能，以上海崇明島光伏電站為例，比如插入圖片的存儲鏈接“E:上海崇明島光伏電站隱裂檢測IMG-4865.jpg”，但這種操作的缺點是增加了數(shù)據(jù)重復(fù)輸入的任務(wù)量。

2.2 查詢和數(shù)理統(tǒng)計

在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，可通過Sum查詢函數(shù)計算得到隱裂圖片的總數(shù)，比如采用“Sum([20200625-隱裂匯總].檢測數(shù)量) AS 檢測數(shù)量之合計”數(shù)據(jù)庫語句，再計算合格圖片總數(shù)，然后累計隱裂檢測圖片的總合格率。隱裂檢測圖片總合格率的統(tǒng)計結(jié)果在窗體中的顯示方式如圖2所示。

圖2 隱裂檢測圖片總合格率統(tǒng)計結(jié)果的顯示方式Fig. 2 Display mode of statistical results of total qualified rate of hidden cracks detection pictures

通過Sum查詢函數(shù)可計算得到隱裂圖片總數(shù)，以及片裂、十字裂、45°線裂、單個大裂紋、貫裂5種隱裂形態(tài)的分項累計數(shù)量，并可統(tǒng)計各種隱裂形態(tài)出現(xiàn)的概率。不同隱裂形態(tài)概率統(tǒng)計結(jié)果在窗體中的顯示方式如圖3所示。

圖3 不同隱裂形態(tài)概率統(tǒng)計結(jié)果的顯示方式Fig. 3 Display mode of statistical results of probability of different hidden crack morphology

2.3 窗體

若要ACCESS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中OLE容器欄目內(nèi)保存的圖片在窗體中直接顯示，需要將圖片和ACCESS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表存于同一個文件夾內(nèi)，通過VB語句(見圖4)實現(xiàn)隱裂圖片的顯示，如圖5所示，從而達到人工復(fù)核隱裂圖片的基本信息、審核意見、檢測結(jié)果的目的。

圖4 ACCESS數(shù)據(jù)庫的VB語句Fig. 4 VB statement of ACCESS database

圖5 窗體中顯示的隱裂圖片F(xiàn)ig. 5 Hidden crack picture displayed in form

3 ACCESS數(shù)據(jù)庫的安全性

使用ACCESS數(shù)據(jù)庫的目的是保證數(shù)據(jù)的準確性、完整性及可追溯性，可作為檔案資料保存。但ACCESS數(shù)據(jù)庫并非真正意義上的數(shù)據(jù)管理軟件，若要真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全，在建立光伏電站的光伏組件隱裂檢測數(shù)據(jù)庫時，可借鑒ACCESS數(shù)據(jù)庫為某核電站針對不同內(nèi)容設(shè)立的5大安全屏障[6]所采取的安全措施，具體如表1所示。

表1 某核電站中ACCESS數(shù)據(jù)庫采取的安全措施Table 1 Safety measures taken by ACCESS database in a nuclear power station

下文針對表1中ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施在光伏電站的光伏組件隱裂信息存儲中的應(yīng)用依次進行分析。

ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施1：數(shù)據(jù)的唯一性。由于光伏組件的序列號是唯一的，在數(shù)據(jù)庫中可通過點擊“查重”選項來確認序列號的唯一性。查重的頻次是每增加一批光伏組件序列號，查重一次。

ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施2：數(shù)據(jù)表與查詢分離。數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容是基礎(chǔ)內(nèi)容，是查詢和建立窗體時的源數(shù)據(jù)。可通過“生成表+追加”的操作在同一光伏組件隱裂信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)建立數(shù)據(jù)表的備份；也可以通過建立2個光伏組件隱裂信息數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)表的源文件在其中1個數(shù)據(jù)庫中建立存儲信息的目錄和數(shù)據(jù)表，在另1個數(shù)據(jù)庫中通過鏈接的方式獲取相應(yīng)內(nèi)容的修改權(quán)限。添加了鏈接的數(shù)據(jù)表與源文件的使用效果相同。

ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施3：VB語句。ACCESS數(shù)據(jù)庫是編程軟件的入門工具，通過學(xué)習(xí)掌握編程技巧，可以改善ACCESS數(shù)據(jù)庫的使用功能，比如學(xué)習(xí)VB語句。

ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施4：建立與外部數(shù)據(jù)的鏈接。ACCESS數(shù)據(jù)庫可以鏈接外部的數(shù)據(jù)表，比如WPS Office的數(shù)據(jù)表?？稍赪PS Office的數(shù)據(jù)表內(nèi)記錄光伏組件基本信息、光伏組件隱裂檢測信息，而在ACCESS數(shù)據(jù)庫中評審光伏組件隱裂檢測圖片、填寫評審結(jié)果或復(fù)核評審結(jié)果，在節(jié)省記錄時間的同時還提高了準確度。

ACCESS數(shù)據(jù)庫安全措施5：數(shù)據(jù)庫維護。由于各個項目檢測、評價的側(cè)重點各異，項目工程管理方對檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計指標的側(cè)重點也各異，因此數(shù)據(jù)庫中的模板很難保證一致，只能通過維護數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、精簡數(shù)據(jù)表數(shù)量，讓數(shù)據(jù)庫的安全運行具備人性化、智能化的特征，且需要把握好信息輸入質(zhì)量這一關(guān)。

4 幾種拓展的光伏組件隱裂情況

ACCESS數(shù)據(jù)庫的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果需與光伏組件的生產(chǎn)、運輸、裝卸、儲存、安裝及運行維護等過程相互聯(lián)系，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的圖片信息厘清光伏組件隱裂產(chǎn)生的原因，并對5種隱裂基本形態(tài)進行拓展，豐富隱裂圖片庫，以便于根據(jù)光伏組件工作狀態(tài)時的外觀和隱裂檢測時的圖片找出光伏組件隱裂產(chǎn)生的原因，進而解決導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生隱裂的問題，提高光伏組件在生產(chǎn)、安裝時的一次合格率。下文拓展了幾種光伏組件隱裂形態(tài)。

4.1 蚯蚓紋與隱裂

太陽光也可能造成光伏組件中的EVA膜熱熔，其熱熔凝結(jié)后可能會在太陽電池表面形成河流狀蚯蚓紋。太陽電池表面的河流狀蚯蚓紋在形成初期[7]對光伏組件的功率影響輕微，但在持續(xù)、強烈的光照條件下，河流狀蚯蚓紋可能會導(dǎo)致細柵線顏色和太陽電池的溫度場發(fā)生改變，在熱應(yīng)力循環(huán)作用下有可能形成隱裂。太陽電池表面的河流狀蚯蚓紋的外觀及隱裂圖片如圖6所示。

圖6 太陽電池表面的河流狀蚯蚓紋的外觀及隱裂圖片F(xiàn)ig. 6 Appearance and hidden crack pictures of river-like earthworm patterns on surface of solar cell

采用放大鏡觀察太陽電池碎片部位的河流狀蚯蚓紋可以發(fā)現(xiàn)，細柵線的顏色已變?yōu)榻瘘S色或灰褐色，且在碎片區(qū)域有2個交叉線形裂紋形成的十字裂，具體如圖7所示。

圖7 細柵線的顏色發(fā)生了變化Fig. 7 Color of thin grid lines has changed

4.2 負極脫焊與隱裂

太陽電池的負極脫焊時，對太陽電池進行EL檢測，隱裂圖像上顯示出較為規(guī)則的暗黑色的碎片，但采用高倍放大鏡檢查隱裂圖片并未發(fā)現(xiàn)裂紋。這是因為細柵線脫膠后，太陽電池不能正常收集電子，相當于該區(qū)域的正常回路被斷開，導(dǎo)致EL現(xiàn)象未發(fā)生，呈現(xiàn)“隱裂不裂”的狀態(tài)。太陽電池的負極脫焊后的隱裂圖像如圖8所示。

圖8 太陽電池的負極脫焊后的隱裂圖像Fig. 8 Hidden crack picture of negative electrode of solar cell after desoldering

4.3 開裂與隱裂

為提高光伏組件隱裂檢測時隱裂圖片的清晰度，隱裂檢測前應(yīng)先清除光伏組件表面的浮灰與結(jié)垢，且避免損傷光伏組件玻璃表面的增透膜。根據(jù)光伏組件隱裂檢測時生成的隱裂圖片的明暗形狀可以判斷隱裂的成因。圖9顯示了半片光伏組件隱裂圖片上出現(xiàn)的隱裂形態(tài)，可以判斷該隱裂是由太陽電池開裂造成的，而這種開裂一般出現(xiàn)在太陽電池印刷過程中。

圖9 開裂造成的隱裂的外觀圖及隱裂圖片F(xiàn)ig. 9 Appearance and hidden crack pictures of hidden crack caused by crack

4.4 解理臺階式裂紋

晶體硅的晶體結(jié)構(gòu)是金剛石立方晶體結(jié)構(gòu)，每個原子與相鄰的4個原子形成正四面體。在剪切應(yīng)力作用下，單晶硅太陽電池會呈現(xiàn)解理臺階式的裂紋，如圖10所示。

圖10 解理臺階式的裂紋Fig.10 Cleavage step crack

5 結(jié)論

本文借鑒核電站的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，運用WPS Office表格與ACCESS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集處理方式，對光伏電站的光伏組件隱裂檢測信息進行管理，可通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)表瞬時獲取光伏組件合格率、5種隱裂形態(tài)出現(xiàn)的概率，從而可節(jié)省光伏組件隱裂檢測的工作時間，降低勞動強度，還可為隱裂成因分析與減少隱裂提供強有力支撐，有助于促進光伏組件隱裂檢測技術(shù)向多樣化、智能化發(fā)展。