TWI662785B

TWI662785B - 太陽能電池的缺陷檢測方法及其系統

Info

Publication number: TWI662785B
Application number: TW107100422A
Authority: TW
Inventors: 龍彥先; 王恩芸; 施仁親; 顏鈺庭; 鄭湘穎
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-06-11
Also published as: TW201931762A

Abstract

一種太陽能電池的缺陷檢測方法及其系統，此方法包括下列步驟。由量測裝置量測太陽能電池的多個輸出電壓以及多個輸出電流。由處理裝置根據輸出電壓以及輸出電流，產生步階電流電壓曲線（步階IV曲線）以及擬合電流電壓曲線（擬合IV曲線），並且判斷擬合IV曲線的第一誤差是否小於第一誤差容忍值。當第一誤差不小於第一誤差容忍值時，由處理裝置判斷步階IV曲線的各個步階中是否存在突波，據以判定太陽能電池是否具有缺陷。之後，由輸出裝置輸出處理裝置的判定結果。

Description

太陽能電池的缺陷檢測方法及其系統

本揭露是有關於一種太陽能電池的缺陷檢測技術。

一般而言，太陽光電模組的發電是由每一個電池片產生光電流，模組經過串聯後可提升電壓，再轉換為市電。在此過程中，若有電池片發生故障、內部連接失效、髒污、遮蔽等情況，或者是太陽光電模組本身在生產、模組封裝、運輸過程中產生裂紋(crack)、封裝氣泡(air bubble)等元件缺陷，都會使得電池片產生電流不匹配的問題，造成電池片發熱而產生熱斑效應(hot spot effect)。電池片在產生熱斑後不僅對整體發電沒有效益，反而會消耗其它電池片產生的電力，並產生高溫損壞整個模組，嚴重者更會引起火災。

傳統上太陽光電模組的熱斑老化測試主要是交由電致螢光(electroluminescence，EL)影像或者是紅外線影像(Thermal Image)來辨識缺陷，其不僅容易受到感測器畫素以及天候上的限制而影響判斷缺陷的嚴重程度，檢測的流程更往往需要耗費數天時間才可完成。

有鑑於此，本揭露提供一種太陽能電池的缺陷檢測方法及其系統，其可針對太陽能電池的品質進行快速篩檢，即早辨識出具有缺陷的太陽能電池以提前更換，從而有效地維護太陽能電池使用上的安全，以降低電站失火的機率。

在本揭露的一範例實施例中，上述的方法適用於具有量測裝置、處理裝置以及輸出裝置的缺陷檢測系統，而此方法包括下列步驟。由量測裝置量測太陽能電池的多個輸出電壓以及多個輸出電流。由處理裝置根據輸出電壓以及輸出電流，產生步階電流電壓曲線(步階IV曲線)以及擬合電流電壓曲線(擬合IV曲線)，並且判斷擬合IV曲線與步階IV曲線之間的第一誤差是否小於第一誤差容忍值，其中步階IV曲線包括多個步階，擬合IV曲線為針對輸出電壓以及輸出電流進行曲線擬合所構成的曲線。當第一誤差不小於第一誤差容忍值時，由處理裝置判斷步階IV曲線的各個步階中是否存在突波，據以判定太陽能電池是否具有缺陷。之後，由輸出裝置輸出處理裝置的判定結果。

在本揭露的一範例實施例中，上述的系統包括量測裝置、處理裝置以及輸出裝置，其中處理裝置連接量測裝置以及輸出裝置。量測裝置用以量測太陽能電池的多個輸出電壓以及多個輸出電流。處理裝置用以根據輸出電壓以及輸出電流，產生步階IV曲線以及擬合IV曲線，並且判斷擬合IV曲線與步階IV曲線之間的第一誤差是否小於第一誤差容忍值，而當第一誤差不小於第一誤差容忍值時，判斷步階IV曲線的各個步階中是否存在突波，據以判定太陽能電池是否具有缺陷，其中步階IV曲線包括多個步階，擬合IV曲線為針對輸出電壓以及輸出電流進行曲線擬合所構成的曲線。輸出裝置用以輸出處理裝置的判定結果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧缺陷檢測系統

110‧‧‧量測裝置

120‧‧‧處理裝置

130‧‧‧輸出裝置

SC‧‧‧太陽能電池

S202~S210、S302~S318‧‧‧步驟

ST1‧‧‧第一階段

ST2‧‧‧第二階段

IVC‧‧‧步階IV曲線

IVC0、IVC1‧‧‧區間

SG‧‧‧突波

510‧‧‧電流電壓曲線

511‧‧‧點

520‧‧‧功率電壓曲線

521‧‧‧點

圖1是根據本揭露一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測系統的方塊圖。

圖2是根據本揭露一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測方法的流程圖。

圖3是根據本揭露一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測方法的流程圖。

圖4是根據本揭露一範例實施例所繪示之具有突波的步階的示意圖。

圖5是根據本揭露一範例實施例所繪示之電流電壓曲線以及功率電壓曲線的示意圖。

本揭露的部份範例實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些範例實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本揭露的可實施方式。更確切的說，這些範例實施例僅為本揭露的專利申請範圍中的方法以及系統的範例。

圖1是根據本揭露一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測系統的方塊圖。首先圖1先介紹缺陷檢測系統中的所有構件以及配置關係，詳細功能將配合後續範例實施例的流程圖一併揭露。

請參照圖1，本實施例中的太陽能電池SC的缺陷檢測系統100至少包括量測裝置110、處理裝置120以及輸出裝置130。

量測裝置110用以針對太陽能電池SC進行電性檢測，以量測太陽能電池SC的輸出電壓以及輸出電流。在此的量測裝置110可以是以一般的電源量測單元儀器(source measure unit或source meter)，其可針對太陽能電池SC進行IV掃描，亦可量測太陽能電池SC的輸出電壓以及輸出電流並且傳送到處理裝置120。

處理裝置120用以根據自量測裝置110所接收到的量測值進行分析，以檢測太陽能電池SC是否存在缺陷。在此的處理裝置120可以是具有運算能力的運算裝置，其可以例如是工業電腦、工作站、個人電腦、筆記型電腦、平板電腦等。本領域具通常知識者應明瞭，處理裝置120包括處理器以及資料儲存裝置。處理器可以是北橋(North Bridge)、南橋(South Bridge)、場式可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)或其他類似裝置或這些裝置的組合或積體電路。處理器亦可以是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、應用處理器(Application Processor，AP)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)或其他類似裝置或這些裝置的組合或積體電路。資料儲存裝置可以是任意型式的非暫態性、揮發性、非揮發性的記憶體，其用以儲存緩衝資料、永久資料以及用來執行處理裝置120的功能的編譯程式碼。

輸出裝置130可以是顯示器、語音播放裝置、警示燈，以輸出處理裝置120對於太陽能電池SC的檢測結果。在本實施例中，輸出裝置130可以是在處理裝置120檢測到太陽能電池SC具有缺陷時才會輸出檢測結果，然而本發明不在此設限。此外，輸出裝置130亦可以是支援無線通訊標準的通訊介面，以將檢測結果傳送到其它電子裝置，以通知使用者或相關維修人員。

圖2是根據本揭露一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測方法的流程圖，而圖2的步驟可以是以圖1的缺陷檢測系統100來實現。在此先說明的是，圖2的流程可以是針對太陽能電池SC中的各個電池片分別來執行。然而，在其它的實施例中亦可以是針對所有的電池片整體性地執行圖2的流程，本發明不在此設限。

請參照圖1以及圖2，首先，量測裝置110將量測太陽能電池SC的多個輸出電壓以及多個輸出電流(步驟S202)，並且處理裝置120將根據輸出電壓以及輸出電流，產生步階電流電壓曲線(步階IV曲線)以及擬合電流電壓曲線(擬合IV曲線)(步驟S204)。在此，量測裝置110可以是以電流對電壓的階梯波掃描模式來對太陽能電池SC進行量測，而步階IV曲線為輸出電壓以及輸出電流的實際量測值所構成的曲線。擬合IV曲線為利用多項式擬合曲線方程式(例如I=f(V)=a ₀+a _a V+a ₂ V ²+…+a _n V ⁿ)對輸出電壓以及輸出電流進行曲線擬合而獲得。為了加速運算，處理裝置120可先將每個步階取得一個具有代表性的IV點(以下稱為「代表IV點」)，並且針對所有步階的代表IV點來進行曲線擬合。在此代表IV點可以是每個步階中在去除因太陽能電池SC在充放電所造成的電容效應而影響前幾筆資料後，利用剩餘的資料所取得的平均IV值所對應的點。

之後，處理裝置120判斷擬合IV曲線的第一誤差是否小於第一誤差容忍值(步驟S206)，針對太陽能電池SC進行初步的檢測。換言之，處理裝置120將計算實際量測值與擬合IV曲線之間的誤差是否小於第一誤差容忍值，舉例而言，第一誤差容忍值可以是1%。當第一誤差小於第一誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC實質上並不具有缺陷，因此處理裝置120將結束檢測流程。

另一方面，當第一誤差不小於第一誤差容忍值時，處理裝置120將判斷各個步階中是否存在至少一突波，據以判定太陽能電池SC是否具有缺陷(步驟S208)。在此處理裝置120可以是利用峰形函數(peak function)來判定各個步階是否存在突波，並且接著根據突波以及電流電壓曲線的特性更進一步地判斷太陽能電池SC是否具有熱斑或者僅是電線接觸不良、雜訊、沾污或其它缺陷。具體的實施方式將稍後完整敘明。

最後，輸出裝置130將輸出處理裝置120的判定結果(步驟S210)。在此，輸出裝置130可以是在處理裝置130判定太陽能電池SC形成熱斑時，輸出警示燈、語音訊號等進行提示，或者是傳送訊息、電子信件至其它電子裝置進行通報。此外，輸出裝置130更可進一步地在判定結果中指出太陽能電池SC中具有熱斑的特定電池片。

圖3是根據本揭露另一範例實施例所繪示之太陽能電池的缺陷檢測方法的流程圖，而圖3的步驟亦可以是以圖1的缺陷檢測系統100來實現。

在第一階段ST1中，處理裝置120可以是先針對太陽能電池SC進行初步的快速檢測，其先自量測裝置110接收有關於太陽能電池SC的量測資料檔案，以取得輸出電流以及輸出電壓(步驟S302)，並且進行IV曲線分析(步驟S304)，以產生步階IV曲線以及擬合IV曲線。接著，處理裝置120將先判斷擬合IV曲線的第一誤差是否小於第一誤差容忍值(步驟S306)。步驟S302~S306的細節請參照圖2的步驟S202~S206的相關描述，於此不再贅述。當第一誤差小於第一誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC實質上並不具有缺陷，因此處理裝置120將結束太陽能電池SC的檢測流程。

當第一誤差不小於第一誤差容忍值時，處理裝置120將進入第二階段ST2的流程，以進一步地判斷太陽能電池SC是否具有熱斑或者僅是電線接觸不良、沾污、其它缺陷。首先，處理裝置120將針對步階IV曲線進行步階分析(步驟S308)，以判斷各個步階中是否存在突波，並且判斷各個突波所分別對應的集中點與集合平均值的第二誤差是否大於第二誤差容忍值(步驟S310)。在此處理裝置120可以是先利用高斯函數(Gaussian function)、勞倫茲函數(Lorentzian function)等峰形函數來判定各個步階是否存在突波。一般而言，高斯函數用於描述較為寬且平緩的峰形，而勞倫茲函數用於描述較為窄且尖銳的峰形。在本實施例中，處理裝置120可以是以高斯函數與勞倫茲函數的線性組合(linear combination)來判定突波是否存在，例如各以50%的權重來分配。

值得注意的是，類似於前述實施例，處理裝置120在針對每個步階進行處理時，將會考慮到電容效應。以圖4根據本揭露一範例實施例所繪示之具有突波的步階的示意圖為例，處理裝置120將不考慮步階IV曲線IVC的步階S中受到電容效應影響的區間IVC0，而僅是針對區間IVC1的資料來進行判斷以及運算，其中曲線SG為步階S中的突波。

接著，處理裝置120將取得各個步階中的突波所分別對應的集中點。若單一步階中僅有一個突波，則集中點可以例如是突波的峰值。若單一步階中有多個峰值，則集中點可以例如是多個峰值的中間點或是平均點。之後，處理裝置120將取得不同步階中的集中點以做為一個集合，並且計算所有集中點的平均值以做為前述的「集合平均值」。當所有步階中不存在突波或者是所有存在的突波所對應的第二誤差小於第二誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC有可能僅是雜訊或者是電線所造成的接觸不良或斷線，但不會構成維運安全上的問題，因此處理裝置120將結束太陽能電池SC的檢測流程。

當第二誤差不小於第二誤差容忍值時，處理裝置120將進一步地判斷步階IV曲線上對應於參數極值的極值斜率與理想斜率的第三誤差是否小於第三誤差容忍值(步驟S312)，而第三誤差容忍值可以是1%。在此的參數極值可以是開路電壓(open circuit voltage，V_OC)、短路電流(short circuit current，I_SC)以及最高功率(maximum power，P_max)其中之一或其組合。在此假設參數極值為最高功率，其一般來說是在IV曲線上的轉折點。當元件產生熱班發生時，因內部電子傳導有阻礙，所以在IV曲線上將會明顯有不規則或不連續的區段會反應在分流電阻Rsh和串聯電阻Rs(即，IV曲線上斜率的倒數)。

以圖5是根據本揭露一範例實施例所繪示之電流電壓曲線以及功率電壓曲線的示意圖為例，假設電流電壓曲線510為前述步驟S204的相關描述中根據代表性的IV值所繪示，則電流、電壓兩者的乘積(即，功率)與電壓可以繪示為功率電壓曲線520，其中電流電壓曲線510中的點511則是對應於功率電壓曲線520中對應於最大功率的點521。

步驟S312中的極值斜率可以是利用步階IV曲線上對應於最大功率的點相對於步階IV曲線上前一參考點(例如特定區段的任一點)的斜率。接著，處理裝置120將判斷擬合IV曲線上對應於參數極值的理想斜率，其可以例如是擬合IV曲線上具有最大功率的點相對於擬合IV曲線上前一參考點(例如起始點、特定區間的任一點)的斜率。

當處理裝置120判斷極值斜率與理想斜率的第三誤差小於第三誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC有可能僅是電線所造成的接觸不良或斷線，但不會構成維運安全上的問題，因此處理裝置120將結束太陽能電池SC的檢測流程。

當第三誤差不小於第三誤差容忍值時，處理裝置120將進一步地判斷極值斜率與理想斜率的第四誤差是否大於第四誤差容忍值(步驟S314)，而第四誤差容忍值可以是2%。當第四誤差大於第四誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC已存在熱斑(步驟S316)，而輸出裝置130將輸出警示燈、語音訊號或者是傳送訊息、電子信件至其它電子裝置。當第四誤差不大於第四誤差容忍值時，即代表目前太陽能電池SC存在其它缺陷(步驟S318)，而輸出裝置130可以選擇性地輸出不同的警示燈、語音訊號或者是傳送訊息、電子信件至其它電子裝置。

綜上所述，本揭露所提出的太陽能電池的缺陷檢測方法及其系統，其主要是藉由所量測到太陽能電池的IV曲線以及量化數值來客觀地針對太陽能電池的品質進行快速篩檢，以在不受天候、地點限制的前提下，可即早辨識出具有缺陷的太陽能電池以提前更換，從而有效地維護太陽能電池使用上的安全，以降低電站失火的機率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種太陽能電池的缺陷檢測方法，適用於具有量測裝置、處理裝置以及輸出裝置的缺陷檢測系統，其中該處理裝置連接該量測裝置以及該輸出裝置，該方法包括下列步驟：由該量測裝置量測該太陽能電池的多個輸出電壓以及多個輸出電流；由該處理裝置根據所述輸出電壓以及所述輸出電流，產生步階電流電壓曲線(步階IV曲線)以及擬合電流電壓曲線(擬合IV曲線)，其中該步階IV曲線包括多個步階，該擬合曲線為針對所述輸出電壓以及所述輸出電流進行曲線擬合所構成的曲線；由該處理裝置判斷該擬合IV曲線與該步階IV曲線之間的第一誤差是否小於第一誤差容忍值；當該第一誤差不小於第一誤差容忍值時，由該處理裝置判斷該步階IV曲線的各所述步階中是否存在至少一突波，據以判定該太陽能電池是否具有缺陷；以及由該輸出裝置輸出該處理裝置的判定結果。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該缺陷為熱斑的形成。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中由該量測裝置量測該太陽能電池的所述輸出電壓以及所述輸出電流的步驟包括：由該量測裝置以電流對電壓的階梯波掃描模式對該太陽能電池進行檢測，並且量測該太陽能電池所輸出的多個電壓以及多個電流。
如申請專利範圍第3項所述的方法，其中由該處理裝置根據所述輸出電壓以及所述輸出電流，產生該步階IV曲線以及該擬合IV曲線的步驟包括：由該處理裝置以所述輸出電壓與所述輸出電流之間的對應關係，產生該步階IV曲線；以及由該處理裝置針對該步階IV曲線中的各所述步階的代表IV點進行曲線擬合，以產生該擬合IV曲線。
如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：當該第一誤差小於該第一誤差容忍值時，由該處理裝置判定該太陽能電池不具有該缺陷。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中當該第一誤差不小於該第一誤差容忍值時，由該處理裝置判斷所述步階中是否存在所述突波的步驟包括：由該處理裝置利用峰形函數判斷各所述步階是否存在所述突波。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該峰形函數為高斯函數與勞倫茲函數的線性組合。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中由該處理裝置判斷所述步階中是否存在所述突波，據以判定該太陽能電池是否具有該缺陷的步驟包括：由該處理裝置取得各所述突波所分別對應的集中點；由該處理裝置計算各所述集中點所對應的集合值的平均值，以產生集合平均值；以及由該處理裝置計算各所述集中點與該集合平均值的第二誤差，據以判定該太陽能電池是否具有該缺陷。
如申請專利範圍第8項所述的方法，其中由該處理裝置計算各所述集中點與該集合平均值的該第二誤差，據以判斷該太陽能電池是否具有該缺陷的步驟包括：當該第二誤差小於第二誤差容忍值時，由該處理裝置判定該太陽能電池不具有該缺陷。
如申請專利範圍第8項所述的方法，其中由該處理裝置計算各所述集中點與該集合平均值的該第二誤差，據以判斷該太陽能電池是否具有該缺陷的步驟包括：當該第二誤差不小於該第二誤差容忍值時，由該處理裝置根據該步階IV曲線判斷參數極值的極值斜率；由該處理裝置判斷該擬合IV曲線上對應於該參數極值的理想斜率；以及由該處理裝置判斷該極值斜率與該理想斜率的第三誤差是否小於第三誤差容忍值，據以判定該太陽能電池是否具有該缺陷。
如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該參數極值為開路電壓、短路電流以及最高功率其中之一者。
如申請專利範圍第10項所述的方法，其中由該處理裝置判斷該極值斜率與該理想斜率的該第三誤差是否小於該第三誤差容忍值，據以判定該太陽能電池是否具有該缺陷的步驟包括：當該第三誤差小於該第三誤差容忍值時，由該處理裝置判定該太陽能電池不具有該缺陷。
如申請專利範圍第10項所述的方法，其中由該處理裝置判斷該極值斜率與該理想斜率的該第三誤差是否小於該第三誤差容忍值，據以判斷該太陽能電池是否具有該缺陷的步驟包括：當該第三誤差不小於該第三誤差容忍值時，由該處理裝置判斷該極值斜率與該理想斜率的第四誤差是否大於第四誤差容忍值，據以判定該太陽能電池是否有該缺陷，其中該第四誤差容忍值大於該第三誤差容忍值。
如申請專利範圍第13項所述的方法，其中由該處理裝置判斷該極值斜率與該理想斜率的該第四誤差是否大於該第四誤差容忍值，據以判定該太陽能電池是否有該缺陷的步驟包括：當該第四誤差大於該第四誤差容忍值時，由該處理裝置判定該太陽能電池具有該缺陷；以及當該第四誤差不大於該第四誤差容忍值時，由該處理裝置判定該太陽能電池具有不同於該缺陷的其它缺陷。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中由該輸出裝置輸出該處理裝置的該判定結果的步驟更包括：當判定該太陽能電池具有該缺陷時，由該輸出裝置輸出警示訊號。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中由該輸出裝置輸出該處理裝置的該判定結果的步驟更包括：當判定該太陽能電池具有該缺陷時，由該輸出裝置傳送該判定結果至另一電子裝置。
一種太陽能電池的缺陷檢測系統，包括：量測裝置，用以量測該太陽能電池的多個輸出電壓以及多個輸出電流；處理裝置，連接該量測裝置，用以根據所述輸出電壓以及所述輸出電流，產生步階電流電壓曲線(步階IV曲線)以及擬合電流電壓曲線(擬合IV曲線)，並且判斷該擬合IV曲線與該步階IV曲線之間的第一誤差是否小於第一誤差容忍值，當該第一誤差不小於第一誤差容忍值時，判斷該步階IV曲線的各所述步階中是否存在至少一突波，據以判定該太陽能電池是否具有缺陷，其中該步階IV曲線包括多個步階，該擬合曲線為針對所述輸出電壓以及所述輸出電流進行曲線擬合所構成的曲線；以及輸出裝置，連接該處理裝置，用以輸出判定結果。
如申請專利範圍第17項所述的系統，其中該缺陷為熱斑的形成。
如申請專利範圍第17項所述的系統，其中該量測裝置以電流對電壓的階梯波掃描模式對該太陽能電池進行檢測，並且量測該太陽能電池所輸出的多個電壓以及多個電流以做為所述輸出電壓以及輸出電流。
如申請專利範圍第17項所述的系統，其中該輸出裝置於該太陽能電池具有該缺陷時，輸出警示訊號或是傳送該判定結果至另一電子裝置。