施學(xué)斌
(蘇州大學(xué),蘇州 215131)
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。
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]。
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
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% 。
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).