Nur mit Hilfe von Machine Vision lassen sich Fehler bei der Herstellung von Siliziumwafern für Solarmodule frühzeitig erkennen. Eine manuelle Qualitätskontrolle ist nicht möglich. Bildverarbeitungsexperte Vision Components hat mit VC nano 3D ein kompaktes System entwickelt, das für diese Anwendung eine kostengünstige und einfach zu bedienende Lösung bietet.
Angesichts stark reduzierter Förderprogramme stehen deutsche Solaranbieter und -anwender zur Zeit vor der Herausforderung, die Produktionskosten für Solarzellen und andere Komponenten zu minimieren und gleichzeitig den Wirkungsgrad und die Qualität der Produkte weiter zu steigern. Dies bedeutet, dass vollautomatischen Produktionsanlagen in Zukunft eine noch größere Bedeutung zukommen wird.
Kernbestandteil von Solarmodulen sind Solarzellen aus mono- oder polykristallinen Siliziumwafern, die elektrisch miteinander verschaltet sind und Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Da für die Gesamtanlagen ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt wird, sind Reinheit und Genauigkeit bei der Fertigung der Siliziumscheiben essenziell. Ausschuss muss so früh wie möglich aussortiert werden, bevor durch spätere Verarbeitungsschritte Folgekosten entstehen. Außerdem dürfen können fehlerhafte Komponenten später die Energiebilanz des Solarmoduls verschlechtern.
Eine manuelle Qualitätskontrolle ist aufgrund der Beschaffenheit der dünnen Solarwafer, der erforderlichen hohen Prüfgenauigkeit sowie der hohen Taktraten nicht möglich. Machine-Vision-Lösungen sind somit die einzige Möglichkeit, Fehler frühzeitig zu erkennen. Sie müssen ein großes Sichtfeld abdecken und eine schnelle Bildübertragung gewährleisten. Echtzeitsysteme, die die parallele Auswertung mehrerer Bilder ermöglichen, bieten dabei einen entscheidenden Vorteil: Sie erhöhen die Prozessgeschwindigkeit, da mehrere Prüfaufgaben gleichzeitig durchgeführt werden können.
Fehlerhafte Verbindung zerstört Zellen
Ein wichtiger Schritt in der Produktion von Solarmodulen ist die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Solarzellen. Erst die aneinandergereihten Zellen erzeugen eine ausreichende Spannung und können effizient für größere Anwendungen eingesetzt werden. Die Verbindung erfolgt mittels einer Maschine, des sogenannten Stringers, in den die Zellen sowie Lötbänder (Strings) eingelegt werden.
Der Stringer verlötet diese anschließend automatisch. Am Anfang oder Ende von Zellen können sich die Lötbändchen jedoch abheben, sodass ein unerwünschter Spalt entsteht. Dieser wird beim Verlöten fixiert, und es entsteht an dieser Stelle kein elektrischer Kontakt. Werden die Zellen dann anschließend auf den Träger gepresst, können die Zellen mit Spalt komplett zerstört werden. In jedem Fall ist die Stromausbeute dieser fehlerhaften Zellen geringer. Um dies zu vermeiden, werden Systeme zur optischen Qualitätskontrolle eingesetzt.
Ein solches Prüfsystem wurde basierend auf der Standardsoftware Eyevision von EVT und dem neuen 3D-Scankopf des Typs VC nano 3D von Vision Components erstellt. Da die komplette Auswertung der 3D-Daten bereits im Softwaremodul Eyescan 3D der EyeVision-Software enthalten ist, gestaltete sich die Implementierung problemlos. Wie alle intelligenten VC-Kameras führt auch der 3D-Scankopf sämtliche Bildverarbeitungsroutinen selbstständig aus, sodass die 3D-Auswertung vollständig in der Kamera erfolgen kann.
Die Eyevision-Software ist komplett auf der VC-Hardwareplattform lauffähig. Somit konnte ein preisgünstiges und kompaktes 3D-System erstellt werden, das vom Anwender per Drag and Drop programmiert und konfiguriert wird. Auf die 3D-Technologie musste zurückgegriffen werden, weil mit einer herkömmlichen Matrixkamera nicht erkannt werden kann, ob das Lötband korrekt auf der Zelle aufliegt oder nicht. Da ein silberner Streifen auf einer ebenfalls silberfarbigen Fläche aufliegt, lassen sich fehlerhafte Strings überhaupt erst mithilfe der 3D-Technologie erkennen. Diese ermittelt die Höheninformation – misst also den Abstand zwischen Bändchen und Zelle – und erstellt für den Anwender das Graubild. Dort, wo es absteht, sieht das Lötband dunkler aus, sodass effektiv dessen Höhe dargestellt werden kann.
Weitere Anforderungen waren die Eignung für Geschwindigkeiten von bis zu 15 cm/s und ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis. In Produktionsanlagen für Solarmodule werden typischerweise jeweils etwa 10 bis 30 Stringer eingesetzt. Die Kosten für die Kameras multiplizieren sich daher schnell.
Zwölf Modelle stehen bereit
Mit Abmessungen von lediglich 140 x 70 x 35 mm fällt die intelligente Kamera höchst kompakt aus. Ihr Gehäuse beherbergt auch einen Linienlaser mit einer Leistung von fünf mW. Dieser erlaubt es, anhand des Lichtschnitt-Verfahrens in Echtzeit 3D-Bilder mit einer Scanrate bis 400 Hz aufzunehmen.
Die Auswertung der 3D-Bilder kann der DSP-Prozessor der Smart Kamera übernehmen, der eine Rechenleistung von 5600 MIPS erreicht. Wie bei herkömmlichen 3D-Systemen ist aber auch die Auswertung mittels eines angeschlossenen PCs möglich. Bei allen Modellen ermöglicht eine frei programmierbare 100-Mbit-Ethernetschnittstelle eine Livebild-Ausgabe am PC.
Zur Einbindung in vorhandene Automatisierungsumgebungen stehen zwei digitale Eingänge und vier Ausgänge zur Verfügung. Insgesamt sind zwölf verschiedene Modelle verfügbar, die für Arbeitsabstände von 80 – 200 mm und Messbereiche von 12 – 120 mm konzipiert sind und vertikale Auflösungen zwischen 5 und 50 µm bieten. Somit wird ein breiter Anwendungsbereich abgedeckt.
Da der Einsatz von VC-Basiskomponenten eine äußerst kosteneffiziente Preisgestaltung zulässt, können Anwender mit diesem Sensor auch zahlreiche weitere Messaufgaben lösen. Der Listenpreis für das Einstiegsmodell liegt bei 1999 Euro. Das Komplettpaket inklusive Auswertesoftware für den beschriebenen Anwendungsfall ist für 3950 Euro erhältlich.
Vision Components, Ettlingen www.vision-components.com
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