經濟型太陽電池組件層壓機的設計

■ 張亮 竇建培 石磊

(1.燕山大學機械工程學院；2.河北科技師范學院機電工程學院；3秦皇島新禹機械設備有限公司)

一 引言

太陽能光伏發(fā)電已經成為可再生能源領域中繼風力發(fā)電之后產業(yè)化發(fā)展最快、最大的領域。太陽電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部分，一般采用層壓的封裝形式[1]，而國產太陽電池組件封裝設備性能和配套性同國外有很大的差距[2,3]，太陽電池組件生產設備已成為我國光伏產業(yè)發(fā)展的瓶頸。為降低組件玻璃碎片率，提高組件的封裝效率和封裝效果，課題組結合太陽電池的封裝層壓工藝過程，研制出一種與太陽電池組件封裝新工藝相適合的適合小企業(yè)的經濟型太陽電池組件層壓機，使其能滿足太陽電池組件的封裝要求。

二 太陽電池組件層壓機結構設計

太陽電池組件層壓機結構如圖1所示。本層壓機能實現(xiàn)預熱、加壓和保溫功能。下室加熱系統(tǒng)采用碳素加熱板進行加熱，不銹鋼板傳導熱量，保溫棉防止熱量散失，下室加熱采用S7-1200及功率控制器(固態(tài)繼電器)進行驅動，并使用適合本設備的專家PID控制算法實現(xiàn)智能控制加熱溫度。

三 加熱系統(tǒng)設計

太陽電池組件層壓機的加熱系統(tǒng)是在實驗分析的基礎上，進行設計。加熱系統(tǒng)包括加熱板、加熱器、鉑電阻溫度傳感器、熱油泵、膨脹油箱、加熱功率控制器、進出口閥和過濾器等，其結構如圖2所示。

此加熱系統(tǒng)由熱油泵進行油的傳送，將工質油送到加熱板；由加熱器進行加熱，加熱器分為兩組：主加熱和副加熱，兩組并聯(lián)使用，利用加熱功率控制器控制；加熱板內設有蛇形管路，可實現(xiàn)工質油在加熱板與加熱器間的循環(huán)流動。在加熱器的上部設有膨脹油箱，用來實現(xiàn)油的供給并存儲受熱膨脹而溢出的工質油。在加熱器的進出油路上與加熱板上均設有鉑電阻溫度傳感器，用于溫度的實時檢測。

太陽電池組件層壓機的加熱系統(tǒng)由加熱功率控制器3、4分別控制加熱器2的主加熱與副加熱對工質油進行加熱，利用熱油泵1將油送到加熱板11，通過蛇形管路使油流回加熱器。在加熱器的上方布置一個膨脹油箱7，用來盛放工質油，膨脹油箱上裝有液位計8。在加熱器進出油口設有溫度傳感器5、6，出油口裝有出口閥10，進油口裝有進口閥14和過濾器15。

當層壓機工作時，首先接通電源啟動熱油泵1，油壓達0.4MPa再接通電源。通過控制加熱器2的主加熱與副加熱同時工作來對工質油進行加熱；溫度傳感器5、6檢測加熱器的進出口溫度，傳感器12、13檢測加熱板溫度，可實時檢測。熱油流經加熱板內蛇形管路，對加熱板進行加熱，然后流回膨脹油箱與熱油泵，循環(huán)加熱；當加熱溫度升高到一定值(接近工作溫度)后，通過控制關閉加熱器主加熱，利用副加熱繼續(xù)加熱，以節(jié)約能源；等到工作臺溫度達到層壓工藝所需溫度時可開始層壓工作。

四 液壓開蓋系統(tǒng)的設計

液壓開蓋系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、換向閥、平衡閥、雙單向節(jié)流閥、蓄能器及液壓缸等組成，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。所加平衡閥使液壓缸的速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，并可防止管路損壞或制動失靈時重物自由降落，從而避免事故。

五 控制系統(tǒng)設計

1 控制系統(tǒng)的硬件選型

為保證設備的硬件可靠性，采用西門子S7-1200 PLC及輸入輸出模塊、溫度/壓力傳感器以及強電執(zhí)行部分等組成。控制器溫度測量傳感器選用Pt100鉑電阻，通過Pt100電阻溫度變送器把電阻值變成4～20mA的標準信號送入PLC的A/D轉換模塊，實現(xiàn)設備溫度的控制和顯示。設備的真空度檢測單元選用基恩士AP-C30C系列數(shù)字壓力傳感器對真空壓力檢測，能夠顯示以預先設定好的基準壓為中心的±20% 范圍內的壓力，分辨率達到同級產品中最佳的0.01kPa。

2 軟件設計

采用模塊化思想對下位機軟件設計，分為若干功能塊，即傳感器采樣模塊、控制設備輸出模塊、人機交互模塊。設備采用觸摸屏控制，設備工作方式分為自動、手動兩種工作方式，參數(shù)設定直觀、靈活，正常工作時可自動運行，效率高、穩(wěn)定性好；調試或其他情況需要時可單步手動操作，操作簡便靈活，符合工業(yè)自動化控制標準。

(1)系統(tǒng)主流程

根據(jù)多次實驗與測試確定了太陽能電池組件的層壓封裝工藝，并且開發(fā)了控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，再經過多次軟件測試和修改，現(xiàn)能可靠地完成各項自動和手動層壓操作，控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

(2)程序運行界面

圖5為開啟界面顯示，通過上邊的各個按鈕可進入所需界面。從圖6可知界面設置層壓各過程的參數(shù)值及參數(shù)的剩余值。

六 結論

(1)設計的太陽電池組件層壓機集預熱、加壓和保溫功能等于一體，結構緊湊，成本低。

(2)層壓板面積為1500mm×850mm，整機的功率為25kW，加熱部分的額定功率為18kW，溫度調節(jié)范圍為30～180℃，加熱板溫度均勻性為±1.0℃，滿足太陽電池組件的封裝工藝要求。

(3)經過一段時間的運行，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)、安全可靠。

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