梁 漢,張建文,劉 浪,陶斯堯,廖東庭
(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410012)
光伏組件由太陽(yáng)能硅電池片、鋼化玻璃、EVA封裝膠膜、含氟背板、銅錫焊帶、接線盒以及鋁合金邊框等組成。近年來(lái)諸多國(guó)家開(kāi)展了光伏組件回收技術(shù)開(kāi)發(fā),目前光伏組件回收技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室或中試研究階段[1-5]。光伏組件回收方法多樣,目的是得到單一純凈的各組成部分(鋁邊框、玻璃、硅片和銅錫焊帶等)。光伏組件在戶外使用壽命約為20~25 a左右[6-8],據(jù)此推算,從2025年開(kāi)始,全球光伏組件退役將進(jìn)入大爆發(fā)階段。經(jīng)過(guò)近20余年的發(fā)展,光伏組件回收技術(shù)逐漸形成了熱回收法、物理回收法、化學(xué)法以及新技術(shù)回收方法幾個(gè)研發(fā)方向[9]。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光伏組件回收方法調(diào)研可知,針對(duì)從光伏組件中去除背板多采用熱解法、有機(jī)溶劑溶解法以及先破壞性的剝離玻璃、硅片等,但均未找到有效的解決先去除背板的方法。對(duì)于光伏組件而言,背板是一種含氟塑料,回收利用價(jià)值低且易產(chǎn)生環(huán)境污染。最理想的回收方法是對(duì)其單獨(dú)剝離后進(jìn)行填埋或作為其他材料的填充劑使用,再單獨(dú)分離光伏組件其他有價(jià)材料。本文研究了基于機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)控制的退役光伏組件背板物理去除方法。
傳統(tǒng)的光伏組件回收方法中,背板多采用燃燒、化學(xué)處理,由于背板含氟,帶來(lái)較大環(huán)保問(wèn)題,基于此,開(kāi)展了基于自動(dòng)控制的光伏組件背板物理去除方法研究,其背板去除率達(dá)到95%以上。
研究的方法為采用砂帶濕法磨削方式進(jìn)行背板去除,該方法利用快速運(yùn)動(dòng)的砂帶作為磨具進(jìn)行磨削,可實(shí)現(xiàn)尺寸精度為1 mm以內(nèi)的背板高效去除,設(shè)備工作原理圖如圖1所示。磨削的特點(diǎn)為速度很快,可達(dá)到30~50 m/s;磨削方式可以加工軟材料,磨削切削深度很小,便于實(shí)現(xiàn)微米到毫米間去除深度的控制。磨削的這些特性適用于去除光伏組件薄層背板;但磨削溫度較高,可達(dá)1 000℃以上,為避免高溫對(duì)背板的含氟成分氣化帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題,采用濕式砂帶磨削進(jìn)行降溫處理。整個(gè)光伏組件背板去除和回收工藝包括:前期準(zhǔn)備(人工或機(jī)械拆除鋁邊框和接線盒)、背板與組件的磨削去除分離、分離的背板屑與水的固液分離和背板殘余水分去除。
圖1 背板去除原理
背板去除過(guò)程是以PLC控制為基礎(chǔ),完成光伏組件的進(jìn)料、磨削和出料的全過(guò)程自動(dòng)化。其特點(diǎn)是:系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行安全、可靠,且設(shè)備方便與檢測(cè)系統(tǒng)、上位機(jī)等通信。設(shè)備的控制原理圖如圖2所示。
圖2 背板去除設(shè)備原理機(jī)控制圖
基于前述方法和自動(dòng)控制策略開(kāi)發(fā)的設(shè)備去除背板后的光伏組件,去除背板基本得到有效去除,但存在部分背板殘留未去除的問(wèn)題,其背板殘余率小于5%。剝離的背板屑可進(jìn)行填埋或作為其他材料(如顆粒膠合板)的填充劑。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般包括工業(yè)相機(jī)、光源、鏡頭、圖像處理軟件和圖像采集卡等,其技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑是通過(guò)視覺(jué)攝像機(jī)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行拍照,獲取被測(cè)對(duì)象信息,類似人眼視覺(jué)的功能,再通過(guò)視覺(jué)傳感、圖像采集、圖像處理和計(jì)算進(jìn)行判斷和控制等多個(gè)環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)引導(dǎo)定位、識(shí)別、測(cè)量和檢驗(yàn)等,最終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果(控制指令)傳遞給機(jī)器末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能[10-11]。為實(shí)現(xiàn)殘留背板的去除,構(gòu)建了一整套殘留背板檢測(cè)和去除執(zhí)行系統(tǒng),系統(tǒng)各模塊的通信連接通過(guò)以太網(wǎng)和控制電纜實(shí)現(xiàn),連接關(guān)系如圖3所示。機(jī)器視覺(jué)獲取圖像后,進(jìn)行圖像的處理,由于背板(白色)和去除背板后的光伏組件(深灰色)顏色差別明顯,通過(guò)圖像處理軟件進(jìn)行離散化、圖像變換、分割得到全黑和全白的二值圖像。二值圖像的獲得與真實(shí)光伏板位置的確定需進(jìn)行圖像和實(shí)際尺寸的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換,這一轉(zhuǎn)換過(guò)程包含有用信息的圖像模板和拍攝的圖像進(jìn)行匹配,完成物體的識(shí)別,并結(jié)合系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的計(jì)算,最終獲得位姿偏差。
圖3 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的通信連接
光伏組件殘留背板面為二維平面,預(yù)先設(shè)定標(biāo)定參考物坐標(biāo)點(diǎn)A及其參數(shù),獲取光伏組件圖像位姿信息,計(jì)算出光伏組件圖像中殘留背板位姿點(diǎn)B,通過(guò)點(diǎn)A與點(diǎn)B在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的差值,計(jì)算出殘留背板三個(gè)位姿偏差值△x,△y,△θ,將偏差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令發(fā)送給殘留背板去除機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)殘留背板位置的定位和定點(diǎn)去除。結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和局部定點(diǎn)去除機(jī)構(gòu)的系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)-去除-檢測(cè)反饋的閉環(huán),解決少量殘留背板的去除問(wèn)題。
隨著光伏組件大規(guī)模地投入使用,隨之而來(lái)的光伏組件大規(guī)模退役問(wèn)題日益引起人們的重視,促進(jìn)了退役光伏組件回收行業(yè)的發(fā)展,而已有光伏組件內(nèi)部的背板回收多采用燃燒和化學(xué)處理,存在嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題。本文通過(guò)結(jié)合自動(dòng)控制和砂帶濕式磨削去除方式,很好的實(shí)現(xiàn)了背板的工業(yè)化大規(guī)模自動(dòng)去除,針對(duì)背板殘留問(wèn)題,通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)控制的結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)殘留背板的檢測(cè)、去除和檢測(cè)反饋的閉環(huán)控制,有望實(shí)現(xiàn)殘留背板的完全去除。