施學(xué)斌

(蘇州大學(xué)，蘇州 215131)

0 引言

太陽能發(fā)電有著眾多的優(yōu)點：太陽能資源取之不盡，光伏發(fā)電無污染，無輻射，無噪聲，綠色環(huán)保，無需消耗燃料及資源。在能源日益緊張的趨勢下，在大氣污染越來越嚴重的情況下，使用太陽能等清潔可再生能源，是未來的良好選擇。

1 太陽能電池組件的生產(chǎn)流程

太陽能電池組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。由于單片太陽能電池片在接受陽光照射時，產(chǎn)生的電流和電壓都很小，不能滿足使用要求。因此，需要將電池片串、并聯(lián)連接和嚴密封裝成組件。

太陽能電池組件常用的生產(chǎn)流程如下：

電池檢測、正面焊接、檢驗、背面串聯(lián)焊接、檢驗、排版（玻璃鋪設(shè)、電池串排版、匯流條焊接）、層壓、去毛邊、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）、焊裝接線盒、高壓測試、組件測試、外觀檢驗以及包裝入庫[1]。

2 電池片傳統(tǒng)焊接法及其局限性

在太陽能組件的制造流程中，電池片的正面焊接和背面串聯(lián)焊接的質(zhì)量非常重要。這是因為太陽能光伏組件的設(shè)計壽命通常為25年左右，而組件通常都安裝在戶外，每天要承受幾十?dāng)z氏度的的溫度變化。由于焊帶基材為純銅，銅的膨脹系數(shù)約為硅（電池片）的6倍，這種差異就意味著：只要有溫度的變化，焊帶與電池片焊接處就會受力。因此不良的焊接會導(dǎo)致組件功率降低，嚴重時導(dǎo)致失效[2]。

在太陽能電池片焊接方面，國內(nèi)大多數(shù)廠家主要是以手工焊接的方式完成的，焊接流程如下：

首先進行正面焊接，將匯流帶焊接到電池正面（負極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶。

焊接主要采取手工操作的方式，由工人手持電烙鐵，在一定溫度下實行焊接。

正面焊接完成后，進行背面串接。事先制作專用的模板，在模板上有放置電池片的凹槽，槽的大小和電池片的大小相對應(yīng)，槽的位置可以準確保證電池片的相對位置。將完成正面焊接的電池片準確放置在模板的凹槽內(nèi)。操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池片”的正面電極（負極）焊接到“后面電池片”的背面電極（正極）上，這樣依次將電池片串接在一起并在電池串的正負極焊接出引線。

采用手工焊接有一定的局限性，容易導(dǎo)致一些焊接不良現(xiàn)象的發(fā)生，引起焊接不良的原因主要有下列兩個方面：

1）個人因素的影響

人員的技術(shù)水平直接影響到焊接質(zhì)量。例如，焊臺的溫度和電烙鐵溫度的設(shè)置是否準確、助焊劑的涂布情況是否良好。焊接時施力是否合適，施力過大，易造成電池片的破裂。焊接速度是否合適，焊接速度過快，容易出現(xiàn)虛焊，焊接速度過慢，則容易出現(xiàn)過焊。除此之外，人員的注意力，甚至是心理狀況都會影響到焊接效果。

2）工藝的局限性

手工焊接時，電池片正面焊接與背面串接只能分別完成，這樣，電池片會受熱變形兩次。在單片焊接時，因為只有正面的焊帶，焊接后電池片兩面的應(yīng)力不同導(dǎo)致電池片彎曲變形，串聯(lián)焊接電池片同樣會受到彎曲變形，大大增加了電池片隱裂發(fā)生的機率。

此外，電池片的焊接溫度一般在350℃左右。焊接時，如果電池片本體的溫度與焊接溫度相差過大，也會增加電池片破裂發(fā)生的機率。因而，在焊接前，一般需要對電池片進行預(yù)熱，使電池片的溫度與焊接溫度盡可能接近。但由于人工焊接時操作人員需手工接觸電池片，因而預(yù)熱的溫度并不能過高，否則人員無法忍受。

圖1 全自動焊機

3 焊接工藝改進及全自動焊接設(shè)備的介紹

為了提高焊接質(zhì)量，必須改進焊接工藝。理想的焊接工藝是將電池片的正面焊接和背面串聯(lián)焊接同步進行，從而達到減少熱變形的目的，并且，盡量在焊接前提高電池片的預(yù)熱溫度，焊接完成后降低電池片的冷卻速度。要實施這樣的焊接，必須借助于自動化焊接設(shè)備。

目前，國內(nèi)少數(shù)太陽能組件生產(chǎn)廠家在部分生產(chǎn)線上引進了國外的全自動焊接設(shè)備，這些設(shè)備的使用，提高了質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但這類設(shè)備技術(shù)被別人壟斷，價格昂貴。國內(nèi)，僅有極少數(shù)廠家著手研發(fā)相關(guān)設(shè)備，尚未推廣開來。

因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能電池全自動焊接設(shè)備，提高光伏組件的制造質(zhì)量，成為當(dāng)務(wù)之急。

下面介紹一種自主開發(fā)的太陽能電池全自動焊接機。

該焊機主要由下列部分組成：電池片傳輸裝置、電池片搬運機械手、電池片圖像處理系統(tǒng)、焊帶切斷裝置、焊接裝置以及電池串翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等，如圖1所示。

自動焊接工作流程如下：

1）電池片傳輸及初次預(yù)熱

電池片放置在料盒中，料盒由電池片輸送裝置1傳送，電池片在料盒中己經(jīng)過初次預(yù)熱，初次預(yù)熱是采用燈管預(yù)熱。

2）電池片圖像檢測

電池片搬運機械手3端部配有橡膠吸盤，利用真空吸緊的原理吸取電池片，將電池片移送至檢測位置，進行CCD圖像檢測[3]。主要檢測電池片是否有缺角、崩邊、隱裂、柵線長度是否符合要求等。將有缺限的電池片拾取至相應(yīng)的容器內(nèi)。

3）電池片放置定位

電池片搬運機械手3將經(jīng)圖象檢測合格的電池片，進行位置檢查并校正后，準確放置到輸送線上。

4）噴涂助焊劑

助焊劑通過噴涂裝置上的噴嘴，準確噴涂至電池片上下兩面的主柵線上。

5）電池片再預(yù)熱

電池片在輸送線上再經(jīng)過第二次、第三次預(yù)熱，目的是提高電池片溫度，減少電池片本體溫度與焊接溫度之間的溫度差，從而降低焊接時破片率的發(fā)生。

6）焊帶裁切與鋪設(shè)

機械夾爪將焊帶拉直，經(jīng)焊帶切斷裝置裁切后準確地放置在電池片相應(yīng)的主柵線上。

7）電池片焊接

電池片焊接有電磁感應(yīng)焊接和紅外焊接兩種方式，可根據(jù)需要進行選擇。電磁焊接的方式是：陶瓷壓針利用自身重力將焊帶壓在電池片的主柵線上，電磁接頭下降產(chǎn)生磁場并加熱焊帶及電池片正反面主柵線，在電池片正反面同時施焊。

紅外焊接是利用紅外燈照射加熱電池片主柵線與焊帶，升溫后在正反面同時施焊。

上述兩種焊接方式，焊接溫度均由紅外線溫度傳感器感應(yīng)，焊接溫度可監(jiān)控并實時調(diào)整，從而使溫度保持一個相對比較穩(wěn)定的數(shù)值。

8）焊后緩冷

電池片焊接完成后，輸送到緩降溫區(qū)，實行分步冷卻的措施使電池片溫度逐步下降。這是因為焊接完成后，如果冷卻速度過快，就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同樣會增加缺限發(fā)生的機率。

9）電池串翻面及移送。

因為本焊機焊接完成后電池片的正面是向上的，因而設(shè)計了電池片的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)7利用真空吸嘴將焊接后的電池串吸起，翻轉(zhuǎn)180度。同時，電池串移送機械手8前端移至翻轉(zhuǎn)后的電池串上方，利用其端部的真空吸嘴吸起電池串，移至電池串檢測臺，進行檢測。檢測合格的電池串再由電池串移送機械手8搬運到排版臺自動排版。不合格的電池串則送至返修料臺進行返修。為減少環(huán)境溫度對電池串的影響，擺放電池串的工作臺均為保溫工作臺。

該焊機的主要優(yōu)點：

采用先進的圖像識別技術(shù)，進行電池片的篩選。正面焊接和背面串接同步進行，使電池片在焊接時只受熱一次，減少了焊接缺限的發(fā)生。采用了焊前預(yù)熱、焊后緩冷的方式，有效避免了因升溫和降溫過快可能帶來的焊接缺限。

實踐證明，該焊機焊接性能良好，破片率小于0. 3% 。

4 結(jié)論

對先進生產(chǎn)工藝的需求催生了先進設(shè)備，全自動焊機使先進的焊接工藝得以實施，將正面焊接和背面串聯(lián)焊接合并成了一道工序，在正面和背面同時施焊，使電池片在焊接時只受熱一次。并且考慮了焊前預(yù)熱和焊后緩冷的問題，從而減少了隱裂發(fā)生的機率。同時，全自動焊接還具備下列功能：電池片的自動供給、電池片的自動篩選和拾取、焊帶的自動供給和切斷、助焊劑的自動涂抹、自動施焊等。

焊接工藝的改進和全自動焊機的使用不僅確保了焊接質(zhì)量，而且提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)質(zhì)太陽能組件的制造提供了保障。

[1] 馬強.太陽能晶體硅電池組件生產(chǎn)實務(wù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013(2).

[2] 李鐘實.太陽能光伏組件生產(chǎn)制造工程技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2012(1).

[3] 謝存禧,張鐵.機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社,2012(1).