李瑞濤

(1.太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

太陽能電池片是光伏組件生產(chǎn)過程中的重要原材料，其外形尺寸一般為長寬均為156 mm厚度為180～230 μm,基底材料以硅為主。由于太陽能電池片厚度較薄，且比較易碎，所以在運輸以及生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一定數(shù)量的崩邊缺角電池片。崩邊缺角的電池片會在焊接過程中產(chǎn)生應力不均勻?qū)е码姵仄验_。所以崩邊缺角片會作為不合格產(chǎn)品在焊接前被串焊機的視覺系統(tǒng)分揀出。在實際的生產(chǎn)過程中，太陽能電池片串焊機在一般組件行業(yè)內(nèi)電池片的破片率為2‰，以國內(nèi)2016年光伏裝機容量為18.5 GW為例來計算，僅僅在電池片串焊環(huán)節(jié)產(chǎn)生的破片就多達880萬片。在通常情況下，破損的電池片會回收后再度回爐提煉，但是會造成較大的污染以及浪費，并且用再造硅制成的電池片的各方面性能指標會有一定程度的下降。所以在實際生產(chǎn)中，有一些組件生產(chǎn)廠商會將崩邊缺角以及破損面積較小的電池片，用激光切割機進行切割。目前市場上常規(guī)的切割后產(chǎn)品有半片(156×39)mm；四分之一片(156×78)mm；八分之一片(156×19.5)mm等幾種規(guī)格。激光切割后的電池片經(jīng)過串焊后，仍然可以達到組件生產(chǎn)的技術指標，用不規(guī)則電池串焊后的組件可滿足一些小功率用電的需求，如某品牌共享單車前部車筐內(nèi)的太陽能充電裝置。

1 焊接不規(guī)則電池片時存在的問題

太陽能電池片串焊機是光伏組件生產(chǎn)中的重要關鍵設備，該設備可自動拉出設定長度的互聯(lián)條并裁切擺放，通過四軸機器人結合視覺系統(tǒng)自動定位擺放電池片，并可將互聯(lián)條與電池片串聯(lián)焊接。太陽能電池片串焊成組件時，互聯(lián)條和電池片交錯放置，首先放置一層互聯(lián)條，之后放置電池片，然后再放置互聯(lián)條，之后交替進行?；ヂ?lián)條在光伏組件中起到收集和傳導電流的作用一般互聯(lián)條的長度為電池片長度的1.8倍。不規(guī)則電池片相對于普通電池片來說，串焊時的最主要不同點就是電池片所對應的互聯(lián)條長度不同，不同電池片對應的互聯(lián)條長度見表1。

表1 互聯(lián)條長度表

目前光伏市場上的主流光伏組件的互聯(lián)條橫截面寬度約為1.0～1.5 mm，厚度約為0.23～0.25 mm 其基材為銅，表面鍍層為Sn60Pb40，其密度為8.5 g/mm3。由于互聯(lián)條在夾持狀態(tài)下會產(chǎn)生彎曲變形，串焊接標準電池片的情況，正是利用了互聯(lián)條的彎曲變形，才使得互聯(lián)條可以貼附在電池片上。在通過串焊機拉帶機構拉取相應長度的互聯(lián)條后發(fā)現(xiàn)，當互聯(lián)條長度小于120 mm時，由于互聯(lián)條自身材料的強度特性，互聯(lián)條在一端夾持5 mm的狀態(tài)下，另一端自行下垂量很小。這種狀態(tài)會導致互聯(lián)條和電池片無法貼合。從而導致下一片電池片無法放置在互聯(lián)條上，如果強制放下會導致電池片的破損。

對互聯(lián)條進行力學分析，可以將一段被夾持的互聯(lián)條簡化為一端固定一端懸臂的梁。

如圖1[1]，互聯(lián)條所受載荷為自身重力F可簡化為均布載荷。

圖1 互聯(lián)條受力分析簡圖

互聯(lián)條可選取目前在實際生產(chǎn)中較為常用的尺寸：寬度為1.2 mm ,厚度為0.23 mm。則單位長度的互聯(lián)條的重量為2.346 g/mm，σb=295 MPa。

A=1.2×0.23×10-6=0.276

互聯(lián)條的彈性模量E=91×109Pa

慣性矩I=bh3/12[2]

寬度b=0.012 m

高度h=0.000 23 m

最大撓度fB=-ql4/8EI[2]

長度l=(0.07-0.12)m

經(jīng)過校核計算可得出，長度為70 mm的互聯(lián)條末端會產(chǎn)生約2.63 mm的形變(如圖2)，長度120 mm的互聯(lián)條末端會產(chǎn)生約49 mm的形變(如圖3)。與實際生產(chǎn)中的互聯(lián)條下垂狀態(tài)基本吻合。

圖2 70 mm互聯(lián)條最大形變 圖3 120 mm互聯(lián)條最大形變

2 不規(guī)則電池片短互聯(lián)條的取放

針對不同長度的互聯(lián)條的受力分析結果以及實際生產(chǎn)時互聯(lián)條狀態(tài)分析可知，對長度大于120 mm的互聯(lián)條進行取放時，仍然可使用標準串焊機的焊帶取放方式，機構如圖4。對長度小于120 mm的互聯(lián)條進行取放時，一般采用真空吸附的方式，結構如圖5。

圖4 標準串焊機拉帶機構

圖5 四分之一片串焊機吸帶機構

由于互聯(lián)條的實際截面并不是規(guī)則矩形如圖6。在采取吸附方式時互聯(lián)條可以利用的吸附寬度小于1.2 mm。一般采用加工微型吸附孔的方式，對互聯(lián)條進行吸取。 通過這種方式，可以將未發(fā)生彎曲變形的短焊帶平整的放置在電池片上，從而完成電池片的焊接。

圖6 互聯(lián)條橫截面

3 結論

通過對太陽能電池片串焊所需的互聯(lián)條的材質(zhì)以及力學性能的分析，對不規(guī)則電池片進行范圍劃定，二分之一電池片仍然可以使用傳統(tǒng)串焊機的拉帶方式進行焊接，四分之一電池片和八分之一的電池片需要在采用真空吸附焊帶的方式進行焊接。

[1] 成大先，王德夫，姬奎生，等.機械設計手冊[M].第5版.北京：化學工業(yè)出版社，2007：1-124.

[2] 戴少度，陳維毅，肖玲，等.材料力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.8 ：164.