Cách phát hiện sự cố năng lượng thấp-trong mô-đun quang điện: Hướng dẫn kỹ thuật

Các vết nứt năng lượng-thấp là loại vết nứt có hại nhất có thể xảy ra trong mô-đun quang điện vì chúng khó phát hiện bằng mắt thường chỉ sau 24 giờ do lực tác động thấp và chúng xảy ra trong một khu vực hạn chế trên chính mô-đun. Điều này hạn chế diện tích thiệt hại của vết nứt ban đầu và không nhất thiết gây ra các vết nứt tiếp theo lan truyền từ vị trí ban đầu này. Do kích thước nhỏ và phạm vi tác dụng hạn chế nên chúng thường không dễ dàng được xác định trong quá trình kiểm tra định kỳ. Nếu những vết nứt này không được phát hiện và để tiếp tục, chúng sẽ làm giảm khả năng sản sinh năng lượng của mô-đun, tăng điện trở nối tiếp và dẫn đến hỏng mô-đun sớm. Mục đích của bài viết này là cung cấp thông tin liên quan đến các phương pháp khác nhau để xác định các vết nứt năng lượng thấp trong mô-đun quang điện.

Mô-đun quang điện (PV) có kính phía trước có thể bị nứt do năng lượng-thấp do nhiều yếu tố như ứng suất sản xuất, độ rung trong quá trình vận chuyển, xử lý không đúng cách trong quá trình lắp đặt, chu kỳ nhiệt và tải trọng cơ học (ví dụ: mưa đá hoặc tuyết tích tụ). Các vết nứt năng lượng-thấp trông tương tự như hư hỏng lớn rõ ràng nhưng không ảnh hưởng ngay đến tính toàn vẹn cấu trúc của mô-đun quang điện và sẽ tiếp tục lan rộng nếu không được xử lý trong điều kiện hoạt động bình thường. Điều này tạo ra thách thức đáng kể cho chủ sở hữu/người vận hành tài sản trong việc xác định các vết nứt năng lượng thấp{6}}vì cả hình ảnh RGB tiêu chuẩn và phép đo nhiệt độ hồng ngoại đều không dễ dàng cho thấy những khiếm khuyết này. Do đó, các đứt gãy năng lượng-thấp tạo ra một trách nhiệm pháp lý tiềm ẩn trong bối cảnh các cơ sở quang điện lớn.

Nền tảng của việc phát hiện vết nứt năng lượng-thấp là hình ảnh điện phát quang (EL), một phương pháp thử nghiệm không phá hủy được công nhận rộng rãi là tiêu chuẩn vàng của ngành để xác định các khuyết tật bên trong mô-đun quang điện. Hình ảnh EL được tiêu chuẩn hóa chính thức theo IEC 60904-13, tiêu chuẩn quốc tế quy định các phương pháp chụp ảnh EL của mô-đun quang điện.

Hình ảnh EL khai thác đặc tính phát quang điện của vật liệu bán dẫn. Khi mô-đun PV phân cực thuận-với dòng điện một chiều được điều khiển-thường gấp 0,8 đến 1,2 lần dòng điện-mạch ngắn (Isc)-các điểm nối PN trong pin mặt trời sẽ phát ra các photon hồng ngoại-gần (bước sóng 800–1100 nm) thông qua quá trình tái hợp lỗ trống-electron. Một-máy ảnh có độ nhạy cao-được trang bị InGaAs hoặc cảm biến CCD Si{14}}được làm mát có khả năng phát hiện các bước sóng từ 900 đến 1300 nm-ghi lại các tín hiệu ánh sáng yếu này và chuyển chúng thành hình ảnh thang độ xám. Trong một tế bào khỏe mạnh, hình ảnh EL xuất hiện sáng đồng đều. Ở những khu vực bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật-vết nứt, đứt ngón tay, đứt gãy hoặc lệch hướng-sự tái hợp bất thường của các hạt mang điện dẫn đến giảm khả năng phát quang, xuất hiện dưới dạng các vạch tối, đốm đen hoặc vùng tối cục bộ.

Đặc biệt đối với các vết nứt năng lượng thấp, hình ảnh EL có thể phát hiện các vết nứt dưới dạng các đường màu đen mảnh hoặc các kiểu phân nhánh mà lẽ ra vẫn không thể nhìn thấy được. Độ phân giải không gian của hệ thống EL hiện đại có thể đạt tới 10 μm, cho phép phát hiện ngay cả những vết nứt vi mô nhỏ nhất. Thử nghiệm được tiến hành trong môi trường-được kiểm soát ánh sáng-thường là phòng tối hoặc có bóng râm-để tránh nhiễu ánh sáng xung quanh. Thời gian phơi sáng thường dao động từ 1 đến 30 giây, tùy thuộc vào độ nhạy của máy ảnh và loại mô-đun.

Chụp ảnh EL ánh sáng ban ngày: Bước đột phá trong kiểm tra hiện trường

Thử nghiệm EL truyền thống từ lâu đã yêu cầu điều kiện phòng tối, khiến việc kiểm tra hiện trường ở quy mô lớn đối với các nhà máy quang điện đang vận hành là không thực tế. Tuy nhiên, một sự phát triển đột phá đã xuất hiện vào giữa-2026 khi các nhà nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch phát triển một phương pháp chụp ảnh EL ánh sáng ban ngày mới được thiết kế đặc biệt để phát hiện các vết nứt kính phía trước năng lượng thấp.

Sự đổi mới nằm ở việc biến những gì từng được coi là thách thức-ánh sáng mặt trời và chuyển động của máy ảnh-thành lợi thế. Phương thức chuyển tiếp-phân cực mô-đun PV bằng dòng điện được điều chế, khiến mô-đun quang điện phát ra tín hiệu EL. Sau đó, camera hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) InGaAs-sẽ ghi lại nhiều hình ảnh trong khi camera đang chuyển động nhẹ, thường được gắn trên máy bay không người lái. Khi máy ảnh di chuyển, kính nứt sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời theo từng khung hình khác nhau. Phần mềm phát hiện các góc của mô-đun, theo dõi và căn chỉnh mô-đun trên tất cả các khung, đồng thời áp dụng xử lý biến đổi Fourier nhanh (FFT) để trích xuất tín hiệu EL đồng thời giảm tiếng ồn ban ngày. Hình ảnh được tái tạo hiển thị cả thông tin EL thông thường-chẳng hạn như các khuyết tật của tế bào{10}}và các vết nứt thủy tinh, có thể nhìn thấy được do sự phản chiếu ánh sáng ban ngày thay đổi.

Nhóm đã xác nhận kỹ thuật này thông qua cả các thí nghiệm được kiểm soát trong phòng thí nghiệm và các cuộc kiểm tra thực tế bằng máy bay không người lái tại nhà máy PV của trường đại học. Sử dụng máy bay không người lái thương mại được trang bị camera InGaAs 640 × 512 pixel, họ nhận thấy rằng khoảng cách chụp ảnh tối ưu là 8–12 mét, với độ tin cậy phát hiện vết nứt giảm xuống quá 15 mét.

Đo nhiệt độ hồng ngoại: Một phương pháp bổ sung

Hình ảnh điện phát quang (EL) phát hiện các vết nứt hoặc đứt gãy bằng cách xem xét cái được gọi là "đầu ra ánh sáng". Phương pháp này không-xâm lấn; kết nối điện hoặc dây điện không ảnh hưởng đến cách mô-đun xuất hiện thông qua máy ảnh EL. Nhiệt kế hồng ngoại (IR) mô tả một dạng phát hiện vết nứt khác bằng cách sử dụng một phương tiện khác: dấu hiệu nhiệt. Các mô-đun quang điện (PV) được lắp đặt ở những vị trí có nắng sẽ duy trì nhiệt độ đồng đều trên các tế bào bình thường (hoặc tốt) và cũng thể hiện hiện tượng nóng lên cục bộ ở các khuyết tật do khả năng chống dòng điện tăng lên. Camera hồng ngoại sẽ ghi lại những chênh lệch nhiệt độ này, có thể nằm trong khoảng từ vài độ đến hàng chục độ C.

Đối với các vết nứt năng lượng-thấp, phép đo nhiệt độ hồng ngoại có thể cho thấy hậu quả nhiệt của vết nứt-tăng điện trở hàng loạt dẫn đến các điểm nóng cục bộ-ngay cả khi bản thân vết nứt không thể nhìn thấy trực tiếp. Các hệ thống phát hiện hồng ngoại hiện đại đã phát triển từ thiết bị cầm tay đến nền tảng gắn trên máy bay không người lái-, cho phép kiểm tra nhanh chóng, không-tiếp xúc toàn bộ nhà máy quang điện. Khi kết hợp với hình ảnh EL, nhiệt kế hồng ngoại cung cấp bức tranh đầy đủ hơn về tình trạng mô-đun.

Trí tuệ nhân tạo: Nâng cao độ chính xác phát hiện

Khối lượng hình ảnh khổng lồ được tạo ra bởi các cuộc kiểm tra EL và hồng ngoại-đặc biệt là ở các nhà máy tiện ích-quy mô lớn-đã khiến cho việc phân tích thủ công trở nên không thực tế. Kiểm tra chất lượng truyền thống yêu cầu các kỹ sư nhìn chằm chằm vào màn hình, xác định lỗi bằng kinh nghiệm-một quy trình mất ít nhất một phút cho mỗi mô-đun và dễ gây mệt mỏi, bỏ sót phát hiện và đánh giá sai.

Trí tuệ nhân tạo đã biến đổi cảnh quan này. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp nhận dạng hình ảnh dựa trên AI{1}} dựa trên công nghệ hình ảnh EL. Bằng cách xây dựng các khung hoàn chỉnh bao gồm thu thập hình ảnh EL, tiền xử lý và các mô hình mạng thần kinh tiên tiến-chẳng hạn như Mạng dư (ResNet) cải tiến với cơ chế chú ý-các hệ thống này đạt được tỷ lệ xác định lỗi chính xác là 99,8% với tỷ lệ phát hiện-bị bỏ sót chỉ 0,07%, xử lý một hình ảnh chỉ trong 8 giây. Điều này thể hiện sự cải tiến đáng kể so với cả phương pháp kiểm tra thủ công và phương pháp tiếp cận thuật toán thông thường.

Một cách tiếp cận mới nổi để phát hiện các vết nứt mà không làm gián đoạn hoạt động của mô-đun liên quan đến việc phân tích phản ứng điện động. Phương pháp này giám sát hoạt động điện của mô-đun PV trong quá trình hoạt động bình thường và xác định các dấu hiệu bất thường của vết nứt. Bởi vì nó không yêu cầu tắt hệ thống hoặc thiết bị hình ảnh chuyên dụng nên nó cung cấp một giải pháp thiết thực để theo dõi sức khỏe liên tục trong các hệ thống năng lượng mặt trời.

Việc phát hiện các vết nứt năng lượng thấp phải được tiến hành theo các tiêu chuẩn đã được thiết lập. IEC 60904-13 cung cấp khuôn khổ cho chụp ảnh EL, trong khi IEC 61730-2 đề cập đến tiêu chuẩn an toàn của mô-đun và bao gồm các quy định về thử nghiệm đứt gãy. IEC TS 62782 chỉ định các phương pháp kiểm tra tải cơ học theo chu kỳ, có thể giúp xác định các mô-đun dễ bị gãy dưới ứng suất động. Đối với việc kiểm tra hiện trường, sự kết hợp giữa hình ảnh EL (đặc biệt là phương pháp ánh sáng ban ngày mới), nhiệt kế hồng ngoại và phân tích được hỗ trợ bởi AI thể hiện công nghệ tiên tiến hiện nay.

Việc phát hiện các vết nứt năng lượng-thấp trong mô-đun quang điện (PV) đạt được thông qua chiến lược nhiều lớp. Nền tảng của chiến lược này là việc sử dụng hình ảnh điện phát quang (ELI), đã được cải tiến nhờ sự ra đời gần đây của các hệ thống dựa trên máy bay không người lái-có khả năng thực hiện-các cuộc kiểm tra thực địa quy mô lớn vào ban ngày. Ngoài ra, phương pháp đo nhiệt độ hồng ngoại (IRT) cung cấp dữ liệu nhiệt bổ sung để đánh giá sự hiện diện của các khuyết tật nứt gãy năng lượng thấp trong mô-đun và công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) cho phép phân tích nhanh chóng và chính xác ở quy mô lớn. Với việc các công ty năng lượng mặt trời tập trung vào-hiệu suất dài hạn thay vì tăng trưởng-ngắn hạn, khả năng phát hiện và giải quyết các vấn đề-năng lượng thấp sẽ ngày càng trở nên quan trọng hơn đối với-sự ổn định lâu dài và khả năng thanh toán của tài sản quang điện.