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应用 | 一文看懂光电技术如何为能源高质量发展助力

来源: 聚展网 2023-06-07 09:15:32 326 分类: 光电资讯
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CIOE针对能源行业将重点展示激光器、激光加工设备、红外热成像仪、激光雷达、3D视觉检测、传感器、光学测试测量仪器、光学元件、光纤光缆等,更高效的解决能源行业在生产及智能制造发展中遇到的行业痛点。






我国正大力推动能源技术与现代信息、材料和先进制造技术深度融合,如何通过技术进步促进能源朝绿色、低碳、降本、增效等方向发展成为当下的新挑战。


目前,通信、光学、红外、激光、传感等多项技术已经在电力电网、光伏制造、锂电制造、风电行业、煤炭、石油化工等能源领域中大显身手,为能源高质量发展添砖加瓦。接下来将重点介绍光电的技术在能源各个行业的应用。


目录
1、光伏行业:激光技术在光伏电池制造、生产光伏元件中的应用、菲涅尔透镜在太阳能聚光光伏系统中的应用、光学测量仪器在在光伏电池检测中的应用、红外热像仪在光伏组件和光伏板生产检测中的应用
2、电力行业:红外技术为电力安全保驾护航、光纤通信技术助力智能电网、激光雷达应用于电力巡线
3、锂电行业:激光技术在锂电市场大有可为、3D视觉检测技术助力锂电池生产
4、煤炭、石油化工行业:红外技术在煤炭、石油行业中的应用、激光雷达在煤炭、石油行业中的应用






光伏行业








 激光技术在光伏电池制造中的应用

光伏生产之中最重要的就是电池制造技术,激光技术之所以能够在光伏行业中得到广泛应用,最主要的原因是其可以在尽可能减少光伏电池制作成本的同时,极大程度上提高光伏电池的发电效率。两个方面一升一降使得光伏发电的经济效益与传统发电技术相比更高。激光技术不但让光伏电池的制作更加简单,同时也在保证生产效率的同时降低了生产流程中材料的损坏率,这从另一个侧面再一次降低了光伏发电的成本。

在PERC时代,激光设备已经在效率提升和成本节约上起到重要作用。激光加工技术目前主要应用于消融、切割、刻边、掺 杂、打孔等环节,主要的工艺内容包括MWT激光打孔,SE激光掺杂、激光扩硼, PERC激光消融,LID/R激光修复以及激光划片/裂片等重要作用。

目前 PERC电池凭借成熟技术和较低成本,成为行业绝对主力,市场占比高达91.2%, 2021年新建量产产线也以其为主。但是,PERC电池转换效率(目前23%左右)正逐渐逼近24%的理论极限,未来提升空间有限。而以TOPCon、IBC、HJT为代表的 N型电池转换效率更高,目前量产转换效率在24.0-24.5%左右,理论极限分别可达 28.5%/28.7%。随着未来生产上量和工艺突破,成本下行下有望逐步取代PERC电池 成为行业下一代主流技术。

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*激光在光伏电池中的应用点,图片来源于网络


激光技术在生产光伏元件中的应用

从生产光伏元件的角度来讲,激光技术与其他生产工艺相比无疑占据了巨大优势。首先,激光的波长可以通过工作人员的调整进行相应的转变。在光伏元件中,虽然最主要的制作材料是以硅为主的半导体材料,但是仍需要部分金属材料以及其他电介质材料才能够完成制作。传统的材料处理工艺在处理不同种类型材料时有着较为明显的缺陷,往往需要临时更换设备,而激光技术则可以根据不同材料对光波的吸收特性改变激光的波长,从而简化生产步骤。


其次,硅的理化性质较为稳定,但是在高温较高的情况下仍会与空气中的氧气反应生成二氧化硅;除此之外,虽然硅的硬度较高,但是脆性较大,在受到外力猛烈作用时便会碎裂。这就限制了传统材料处理工艺在光伏产业中的应用。而激光技术使用短波光源或者是脉冲光源时不会产生高热,降低了硅发生变质的概率,同时其对硅材料进行处理时不会有实体机械与硅进行接触,这样减少了硅因机械冲击而发生的损坏,保障了激光技术应用的可靠性。不仅如此,激光的单色性较强,蕴含能量也相对较高,因此其可以作为光伏发电最高能效的电源。这样极大程度上促进了光伏发电的效率。最后,除了对硅进行切割操作之外,激光更能够为光伏元件进行镀层,而且与其他光伏元件镀层工艺相比自动化程度更强,元件受损程度更低。


 

菲涅尔透镜在太阳能聚光光伏系统中的应用


菲涅尔透镜一般是由塑料或者玻璃制成的,其一面非常光滑,而另一面则是有许多微型凸起的透镜,这些凸起由小到大按等间距排列的,形成螺纹一样的纹理。
在光学系统中,应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上,这种透镜也被称做集光器或聚光器。在太阳聚光领域,菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一。太阳能菲涅尔透镜聚光镜就是,透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上。当透镜面垂直接面向太阳时,光线将会被聚焦在电池片上,汇聚了更多的能量,因而需要较小的电池片面积,大大节约了成本。应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面(高性能电池片)上,比传统平板光伏发电效率提高30%以上,满足太阳能聚光发电和聚热系统中高能量高温需求。


 
光学测量仪器在在光伏电池检测中的应用




太阳能电池的光电转换率及发电性能,直接决定了光伏发电项目的整体发电水平和盈利能力。而在光伏电池生产制造过程中,光伏电池检测又是极其重要的一环。太阳能电池片检测主要分为外观检查和电性能测试等方面。其中,外观检查主要是查看电池片完整度、印刷质量、镀膜效果等;电性能测试主要检测单片功率和光电转化效率等。因此,检测太阳能电池片是否存在缺陷及安全隐患等就显得尤为重要,光学显微镜能帮助快速高效检测相关参数。
在光伏行业中,影像测量仪主要在工艺部门的SE,丝网工序,研发部门及质量部门,主要用于电池片及网版的检测。光伏电池片检测方案,可实现电池片离线或在线检测,一站式满足EL或PL检测、正反面瑕疵检测和颜色分选要求,并根据瑕疵等级和颜色分类完成光伏电池片的自动分选。


 红外热像仪在光伏组件和光伏板生产检测中的应用

利用红外热像仪检测组件上各电池片的发热状况。在正常情况下,各电池片的温度分布均匀,如果存在组件矩阵中有个别电池片温度出现异常过高,就说明此电池片可能有问题,已经由正常光能转电能的工作状态,变为电池组件的负载消耗电能发热,影响整个电池组件的转化功率,此时需要更换温度过高的电池片。
在光伏板生产过程中,串焊时由于材料、工艺参数、机械装置等因素易造成光伏板虚焊、过焊现象。当焊接点温度过低时会出现虚焊,温度过高则会导致过焊,使用热像仪进行温度监控可帮助改善生产工艺。




电力行业









红外技术为电力安全保驾护航
电力行业是使用红外热像仪最早及数量最多的民用领域,红外技术可以大大提高供电设备的运行可靠性,降低了设备检修时间,是最成熟最有效的在线电力检测方法。
电力设备故障大多数都伴有发热的现象,通过热像仪高效发现和解决电网中存在的热缺陷。电力行业用红外热成像测温可以实现远程实时运维、图像可视化、历史追溯,温度记录等,从而解决巡检实效性、准确性、安全性等问题。将红外热像仪运用于设备的安全检修上,可对变压器、避雷器、电容器、断路器、绝缘子串、互感器、发电机、电缆和导线、隔离开关、高压输电线及压接管等电力设备状态进行检查与故障诊断。
同时,红外技术在变电站、智慧输电、电力隧道、储能电站都能高效进行巡检工作,有效进行检查与故障诊断。使电力电网的运行更为安全、可靠,已成为电力电网系统中的重要支撑部分。


光纤通信技术助力智能电网
当前供电企业已经融合了诸多新技术,其中最为突出的是光纤通信技术,为电力通信网络的现代化进程提供了源源不断的动力,从根本上提升了电力企业的工作效率和供电稳定性。
电力通信系统必须时时刻刻保持畅通状态,这是整个电力系统甚至电力行业的基本要求。要做到这一点要求电力企业在保证数据传输的可靠性,并保持其传输大容量之余,必须不断提升电力通讯传输线路具有抵抗外力破坏的能力。除此之外,由于光纤传输往往在光纤内部进行信号的传输,具有较高的传输质量。其很难受到自然环境变化而产生的影响,具有较强的稳定性和抗电磁干扰能力,更能够适应高电压、高电磁场等电力系统当中的特殊环境。
随着智能电网实时监视和控制电网的需求,光纤通信因其具有大容量通信远距离传输等优势,在电力电网的通信系统中发挥重要作用。智能电网光网络层包括光缆、光端机组成的光网络,物联网管理中心、信息中心等利用网络的能力对海量信息进行智能处理的部分。也就是说光网络层不但要具备网络的能力,还要提升信息处理的能力。同时,对海量的物联网提供的数据和信息进行分析处理,提升对智能电网的洞察力,实现电网真正的智能化。


激光雷达应用于电力巡线
由于国内电网不断扩大,长距离输电线路如特(超)高压线路增长迅速,而且很多的输电线路分布在崇山峻岭之中,为了日常电力线的维护、更新电力台账数据、防止电力事故的发生等工作,需要对电力线进行日常的巡查工作。
目前,电力巡线工作主要由电力工人翻山越岭,采用人工观察或者无人机影像查看对现有电力线进行巡查,存在作业强度大、作业周期长,数据不直观、精度低、再利用程度不高以及地形复杂地区难以工作等缺点。
利用机载激光雷达获取的高精度点云,可以快速获取高精度三维线路走廊地形地貌、线路设施设备以及走廊地物(包括电塔、塔杆、挂线点位置、电线弧垂、树木、建筑物等)的三维空间信息和三维模型。这为电力线路的规划设计、运行维护提供了高精度测量数据基础,有效地支撑电力精细化自主巡检,为输电线路的设计、运行、维护、管理提供更高效、更科学和更安全的技术手段。




锂电行业








 激光技术在锂电市场大有可为




动力电池是新能源汽车核心部件,锂电池质量直接决定新能源汽车的性能,因此对其制造工序、生产设备有极高的精度要求。锂电池生产制造是由一道道工序连接而成,其生产过程主要分为极片制造、电芯制作以及电池组装三部分。

激光技术作为先进的“光”制造工具,有着高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高等众多特点。激光焊接、切割、清洗、打标等激光精细加工工艺在动力电池产线的前、中、后段加工过程中发挥重要作用。

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激光设备主要应用于前段制片、中段焊接以及后段模组Pack环节
在动力电池的生产中使用激光焊接的环节在电芯组装环节与电池PACK环节。激光焊接作为一种现代焊接技术,具有熔深深、速度快、变形小、对焊接环境要求不高、功率密度大、不受磁场的影响、不局限于导电材料、不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优势,被广泛应用于高端精密制造领域,尤其是新能源汽车及动力电池行业。动力电池焊接部位多、难度大、精度要求高,动力电池厂商对电池生产设备的自动化、安全性、精密性、加工效率的要求也高。激光焊接技术独特的优势可大幅提升电池的安全性、可靠性、一致性,降低成本,延长使用寿命,成为了动力电池厂商最优的选择。
激光切割技术可应用于锂电池制造过程中的极耳切割成型、极片分切以及隔膜分切等工序,相比模切,激光切割具有精确度更高、运营成本较低等优势,有助于电池生产提效降本。传统模切会不可避免地出现磨损,粉尘掉落并产生毛刺,进而引起电池过热、短路、甚至爆炸等各类危险问题。为了避免锂电池加工品质不佳造成的危险,使用激光进行切割更适合。与传统的机械切割相比,激光切割拥有无物理磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精确性更高和运营成本较低等优势,有利于降低制造成本、提高生产效率、大幅缩短新产品模切周期。
极片涂覆前激光清洗可以有效避免原湿式乙醇清洗造成的损伤;电池焊接前激光清洗采用脉冲激光使基底受热震动膨胀令污染物克服表面吸附力脱离基底达到去污的作用;电池组装过程中激光清洗可对绝缘板、端板进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力。
为更好的把控产品品质,追溯锂电池的全程生产信息,包括原料信息、生产过程和工艺、产品批次、生产厂家及日期等,需要将关键信息存储在二维码内并在电池上进行标识。激光打标具有永久性强、防伪性高、精度高、耐磨性强、安全可靠等特点,可以为产品品质追踪提供最佳的解决方案。


3D视觉检测技术助力锂电池生产
锂电池的生产质量安全被格外关注,而其生产工序复杂多变,从极片制造,到电芯制造,再到模组组装,最后到Pack段,都需要更高效、更智能的自动化检测技术,才能保障锂电池产能高效提升。
近些年,随着动力电池的制造需求越来越多,锂电设备的生产效率和生产质量迈向一个新高度,高精度且高效的解决方案在锂电检测中凸显其重要性。由于电池的生产工艺相对复杂,传统方式无法满足一些检测项,所以在制造应用中3D机器视觉有着显著的优势,3D视觉的特点是高效、稳定和高精度成像,以及特殊定制的算法,依赖3D视觉进一步提升生产效率和生产质量,很好地解决了动力电池检测中遇到的痛点和难点,赋能企业自动化升级。




煤炭、石油化工行业








 红外技术在煤炭、石油行业中的应用



煤炭行业是国民经济的支柱产业,对国民经济和社会的稳定发展起着举足轻重的作用。在煤炭系统中,检测设备的运行状态和安全防控显得尤为重要。红外热像仪凭借其非接触式、全像面、快速准确测温等特点,逐渐成为煤炭检测的主力工具。

红外热像仪在煤矿行业主要有四大业务场景:井下业务(井下掘进面、综采面、皮带输送等)、选煤厂业务(洗煤选煤厂设备测温、皮带等)、供电中心业务(供电系统主要包括变电站、配电柜、变压器室等)、露天煤矿业务(露天煤仓、煤棚、煤堆等)。

红外热成像设备及解决方案在石油化工行业中发挥独特作用,可充分满足石油井场监测、油气运输巡检、炼化加工测温、气体泄漏检测等场景应用需求,助力石油化工行业建设。

红外热图可以反应设备安全状况,尽早排除安全隐患。在石油钻探、开采井场中,大型设备的安全问题是关键,由于生产工艺的复杂性,不可能经常停机检查,这种外壁温度场检测方法可以尽早发现设备安全隐患,而且通过多次、定期测量,比较热像展开图的变化,可以为设备的使用状况提供科学的评价,以保证设备安全运行,并能在一定程度上保障开采的效率。


 激光雷达在煤炭、石油行业中的应用
煤炭行业中,以煤炭仓储及生产领域煤炭体积测量为例,为了解煤炭出入库情况,通常依靠人力手持全站仪进行人工煤炭体积监测。然而这一传统解决方案始终面对着技术手段缺乏、测量误差大、人工管理效率低下及监管困难等难题。利用激光雷达系统对距离信息的精准采集实现对目标物体的3D建模,利用AI算法自动测算煤炭体积并实时更新,在WEB端即可直观地管控仓库情况,可直接完成指定盘库计划、定时采集数据、自动三维点云生成、自动拼接形成整体体积数据、设定区域堆体体积自动计算、计算报告自动生成等功能,高效率、高精度地实现了库存管理自动化。
机载激光雷达航测是一项先进的测绘技术,通过飞机搭载激光发射器、航摄专业相机等航测设备,获取测量目标的激光点云数据和影像,有助于实现快速、准确优选页岩气钻井井场位置,优化输油管线布设方案等目标。

作为极具规模及影响力的光电产业综合型展会,第24届中国国际光电博览会覆盖通信、光学、激光、红外、智能传感、新型显示、光电子创新等版块,汇聚来自美国、法国、德国、意大利、日本、韩国、瑞士、以色列、加拿大等国际品牌,面向光电产业及应用领域展示全球前沿的光电创新技术及综合解决方案,助力国内外企业与光电行业上下游进行商务洽谈,达成商业合作,推动国际商贸繁荣。 





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