吳貴軍　國秀麗　張運(yùn)真

（安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南　安陽　455000）

基于創(chuàng)新方法的光伏電池焊點(diǎn)斷裂分析與改進(jìn)

吳貴軍國秀麗張運(yùn)真

（安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽455000）

結(jié)合我國光伏電池的應(yīng)用每年都以較高的速度增長(zhǎng)的情況，引入創(chuàng)新方法對(duì)光伏電池焊點(diǎn)斷裂原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)是因溫度變化引起內(nèi)部組件變形量不一致所致。因此，定義了技術(shù)矛盾，利用TRIZ理論中的矛盾矩陣進(jìn)行求解，提出光伏電池壓緊機(jī)構(gòu)的解決方案，通過數(shù)據(jù)計(jì)算及利用軟件變形量分析，該方案切實(shí)可行。關(guān)鍵詞：創(chuàng)新方法；光伏電池；焊點(diǎn)斷裂

近幾年，隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展與擴(kuò)張，人均汽車保有量的增加，我國大氣污染觸目驚心，2014年石家莊高達(dá)264d，北京污染天數(shù)為175d，如今在中國每年因大氣污染過早死亡的人數(shù)有50萬人之多，一方面大氣污染問題日益突出，另一方面全球能源危機(jī)日益顯現(xiàn)。而太陽能作為理想的可再生能源受到了許多國家的重視。2013年年底，全國22個(gè)主要?。ㄗ灾螀^(qū)直轄市）已累計(jì)并網(wǎng)741個(gè)大型光伏發(fā)電項(xiàng)目，全年累計(jì)發(fā)電量達(dá)90億kW·h［1］。國家能源局日前公布的數(shù)據(jù)顯示，2014年我國光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量2 805萬kW，同比增長(zhǎng)60%。其中，光伏電站2 338萬kW，分布式467萬kW，光伏年發(fā)電量約250億kW·h。而在國內(nèi)某公司2012年為印度建設(shè)80MW光伏裝機(jī)容量，使用約0.5a的時(shí)間出現(xiàn)了光伏電池電流明顯減弱、電壓低、不發(fā)電等現(xiàn)象，面臨巨額賠款，如何找出其中原因、分析解決問題成為該企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵，而采用創(chuàng)新方法無疑是解決該問題的重要手段。

1　創(chuàng)新方法

在設(shè)計(jì)中應(yīng)用創(chuàng)新方法將有助于設(shè)計(jì)者高效、創(chuàng)新地解決問題［2］。作為專門研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的TRIZ理論已建立起一系列的具有普通實(shí)用性的工具，幫助設(shè)計(jì)者盡快獲得滿意的最終解。由前蘇聯(lián)根里奇·阿奇舒勒及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，花費(fèi)1 500人/a的時(shí)間，在分析250萬件專利的基礎(chǔ)上，研究與歸納人類在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理與法則后建立的。其內(nèi)容廣泛，總結(jié)為：①8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則；②IFR最終理想解；③40個(gè)發(fā)明原理；④39個(gè)通用工程參數(shù)和阿奇舒勒矛盾矩陣；⑤物理矛盾和分離原理；⑥物-場(chǎng)模型分析；⑦76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法；⑧ARIZ發(fā)明問題解決算法；⑨科學(xué)原理效應(yīng)庫［3］。

2　問題分析

光伏電池是由上下光伏電池片與其兩側(cè)的EVA膠膜、頂層的鋼化玻璃、底層的TPT襯板封裝而成，電池焊點(diǎn)斷裂在我國發(fā)生概率很小，且該出口公司從原材料、加工、焊接、封裝過程與其在國內(nèi)銷售的光伏電池?zé)o明顯差異，出口到印度的該批次產(chǎn)品怎么會(huì)出現(xiàn)如此嚴(yán)重的問題，這里采用創(chuàng)新方法中的5個(gè)為什么對(duì)該問題進(jìn)行追根溯源：①為什么會(huì)出現(xiàn)焊點(diǎn)斷裂呢；②焊點(diǎn)出現(xiàn)斷裂是由于焊接點(diǎn)處的抗拉強(qiáng)度不足，為什么會(huì)在焊點(diǎn)出現(xiàn)拉力呢；③焊接點(diǎn)出現(xiàn)拉力是由于EVA膠膜的牽引所致，為什么會(huì)出現(xiàn)EVA膠膜的對(duì)焊點(diǎn)的牽引力呢；④EVA膠膜的對(duì)焊點(diǎn)的牽引力是由于其形變量與光伏電池片變形量不一致，為什么會(huì)出現(xiàn)變形呢；⑤印度晝夜溫差大，冬季最低氣溫按-30℃，夏季最高氣溫50℃，溫差達(dá)到80℃，EVA膠膜的熱變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏電池片的熱變形量。

至此，晝夜溫差大是產(chǎn)生焊點(diǎn)斷裂的根本原因，環(huán)境溫度變化是自然界的規(guī)律，而光伏電池需要完全暴露在室外環(huán)境中，如何解決該問題，可以采用TRIZ理論進(jìn)行求解：環(huán)境溫度變化，使光伏電池焊點(diǎn)處受到拉力牽引，導(dǎo)致光伏電池可靠性降低，改善上述問題可能使光伏電池的適應(yīng)性降低，復(fù)雜程度提高。

上述問題用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)就可表示成：需要改善的參數(shù)是溫度與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是適應(yīng)性之間的矛盾；需要改善的參數(shù)是力、可靠性與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是系統(tǒng)復(fù)雜性三者之間的矛盾，產(chǎn)生的矛盾矩陣如表1所示。

表1　光伏電池焊點(diǎn)斷裂的矛盾矩陣

根據(jù)表1的矛盾矩陣，方案一產(chǎn)生推薦的發(fā)明原理是：1分割原理；2抽取原理；10預(yù)先作用原理；13反向作用原理；18機(jī)械振動(dòng)原理；26復(fù)制原理；27廉價(jià)替代品原理；35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)?。矛盾矩陣中推薦了8項(xiàng)發(fā)明原理，給出了問題可能的有效解法，嘗試采用10預(yù)先作用原理，對(duì)焊點(diǎn)出加以保護(hù)，防止其受到拉力的牽引。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)光伏電池焊接點(diǎn)處壓力在5.0～6.5kg時(shí)不會(huì)壓碎鋼化玻璃，環(huán)境溫度在-30～50℃之間變化時(shí)，焊點(diǎn)拉力變化微小，不會(huì)造成斷裂。設(shè)計(jì)出如圖1所示的壓緊機(jī)構(gòu)。

圖1　光伏電池焊點(diǎn)壓緊機(jī)構(gòu)

3　光伏電池壓緊機(jī)構(gòu)可行性分析

使用該壓緊機(jī)構(gòu)在溫度變化時(shí)其本身同樣受環(huán)境溫度影響變形，導(dǎo)致其對(duì)光伏電池焊點(diǎn)壓緊力發(fā)生變化，其可行性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。光伏壓緊機(jī)構(gòu)各部分尺寸如圖2所示。

圖2　光伏電池壓緊機(jī)構(gòu)各部分尺寸

溫差80℃條件下，光伏電池壓緊機(jī)構(gòu)各部分熱變形量如表2所示，電池片、TPT襯板較薄，計(jì)算時(shí)予以忽略。

熱變形量計(jì)算公式：△L=α·L·△T

式中：△L為變形量，α為膨脹系數(shù)，L為零件尺寸，△T為溫度變化量。

壓緊支架中間零部件及玻璃總變形量差值為：

0.00448+0.005 57+0.002 40+0.002 88+0.001 63

=0.016 96mm

表2　光伏電池壓緊機(jī)構(gòu)熱變形

由于受熱膨脹，壓緊支架的放松量為：

0.02227-0.016 96=0.005 31mm

使用三維軟件對(duì)壓緊支架進(jìn)行建模，為簡(jiǎn)化模型將螺栓下方外伸部分作為壓緊支架的外伸圓柱，進(jìn)行有限元分析，圓柱底端受到5kg（50N）反作用力時(shí)壓緊支架變形量如圖3所示。圓柱底端受力6.5kg（65N）的力時(shí)壓緊支架變形量如圖4所示。

圖3　5kg（50N）的力情況下變形量

圖4　6.5kg（65N）的力情況下變形量

從圖3、4中可以看出，壓力在5kg時(shí)壓緊支架上螺栓底端變形量接近0.018 96mm，6.5kg時(shí)變形量接近0.024 65mm，之間的變化量為0.005 69mm，所以壓緊支架壓力在6.5kg到5kg之間變化時(shí)，可以補(bǔ)償壓緊支架的放松量0.005 31。即在冬季溫度低至-30℃時(shí)，安裝需要在6.5kg壓緊力的情況下進(jìn)行，夏季溫度高至50℃時(shí)壓緊力5kg條件下進(jìn)行安裝，其他溫度進(jìn)行安裝作業(yè)時(shí)可以采用線性插值的方式進(jìn)行壓緊力的近似計(jì)算。

在壓力6.5kg時(shí)，最大應(yīng)力為16.56MPa，屈服應(yīng)力為95.00MPa，所以壓緊支架安全（見圖5）。該方案在印度光伏電池板上得到了應(yīng)用，時(shí)至今日，光伏電池極少出現(xiàn)焊點(diǎn)斷裂的現(xiàn)象。

圖5　6.5kg（65N）壓力情況應(yīng)力云圖

4　結(jié)語

我國作為能源使用大國，大氣污染日益惡化，批量使用太陽能發(fā)電這一潔凈能源是未來發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，如何創(chuàng)新現(xiàn)有技術(shù)，解決關(guān)鍵難題是該行業(yè)需要重視的問題，出口到印度一批次光伏電池出現(xiàn)電壓低、電流弱等現(xiàn)象，引入創(chuàng)新方法中的5個(gè)為什么對(duì)該問題進(jìn)行因果分析，得出由于環(huán)境溫差較大導(dǎo)致其內(nèi)部組件熱變形量不一致，使光伏電池焊點(diǎn)受到EVA膠膜的牽引發(fā)生斷裂的結(jié)論，轉(zhuǎn)化為TRI矛盾矩陣?yán)碚?，根?jù)推薦原理設(shè)計(jì)出光伏電池焊點(diǎn)壓緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)該壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱變形量計(jì)算，并利用三維軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)受力變形進(jìn)行了模擬運(yùn)算，計(jì)算出受力變形量可以抵消該機(jī)構(gòu)的熱變形量，該方案在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

［1］李雷，郭焱，王通勝，等.中國光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與前景分析［J］.中外能源，2014（10）：25-30.

［2］尚萬，趙武，曾杰，等.基于TRIZ的在役管道腐蝕檢測(cè)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（1）：93-94，97.

［3］彭慧娟，成思源，李蘇洋，等.TRIZ的理論體系研究綜述［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（10）：270-272.

Analysis and Improvement of Photovoltaic Cells Based on Innovative Methods of Solder Joint Fracture

Wu GuijunGuo XiuliZhang Yunzhen
（School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000）

Combined with the application of photovoltaic cells in our country every year to a higher rate of growth，the reasons for the fracture of the solder joints of photovoltaic cells were analyzed by introducing innovative methods，it was found that the deformation of the internal components caused by temperature change was not consistent.Therefore，the technical contradiction was defined，and the contradiction matrix of TRIZ theory was used to solve the problem，the solution to pressing mechanism of photovoltaic cells was proposed.The program was feasible through the data calculation and deformation analysis by using the software. Keywords:innovative approach；photovoltaic cells；solder joint fracture

TM914

A

1003-5168（2016）05-0126-03

2016-04-21

吳貴軍（1980-），男，講師，研究方向：創(chuàng)新方法的教學(xué)及研究。