焊接領域發(fā)展的新動向
——太陽能應用中的焊接及表面工程

王元良

(1.四川省先進焊接及表面工程技術研究中心，四川 成都 610031；2.西南交通大學 材料學院，四川 成都 610031)

重點關注

焊接領域發(fā)展的新動向
——太陽能應用中的焊接及表面工程

王元良1，2

(1.四川省先進焊接及表面工程技術研究中心，四川 成都 610031；2.西南交通大學 材料學院，四川 成都 610031)

闡述了太陽能工業(yè)應用的簡況，重點介紹了各太陽能電池和太陽能集熱器及供熱裝置中的焊接及表面工程技術，包括：硅太陽能電池的生產(chǎn)鏈、太陽能電池生產(chǎn)工藝、薄膜太陽能電池、聚光光伏太陽能電池、太陽能集熱器及供熱裝置中的焊接及表面工程技術，最后討論了幾種用于太陽能焊接的可能性。

太陽能電池；太陽能集熱器；焊接及表面工程

1 太陽能工業(yè)應用簡況

太陽能是取之不盡的可再生能源。太陽能隨處都有，可就地取用，也可充入儲電池，隨取隨用。使用太陽能不產(chǎn)生任何污染。設備建成后，幾十年使用期中無需任何附加成本。有人測算，太陽能3 kW的發(fā)電量對環(huán)境污染削減量可替代石油29 L／年，減排放二氧化碳540 kg-C／年，換算森林面積5 544 m2。太陽能目前在建筑行業(yè)使用較多，如熱水器、暖房、照明、家用電器等。工業(yè)上由于使用能量大，一次投入成本高，設備轉(zhuǎn)型較難，因而尚未有見到有應用的報道。焊接是一個能耗大戶，一臺常用的電弧焊機功率為10～100 kW，大的閃光焊機功率為幾百到1000kW。特別是鋼軌焊接、石油天然氣管道等移動焊接工地，就必須隨時配置一臺柴油發(fā)電機來供電。隨著科技的發(fā)展、太陽能開發(fā)技術的突破，以及太陽能組件成本的降低，工業(yè)特別是焊接這個能耗大戶必將得到快速發(fā)展。

目前太陽能推廣應用的主要阻力是成本過高，如煤電成本是0.3元／(kW·h)，風電成本是0.6元／(kW·h)，太陽能電成本是4元／(kW·h)。也有資料估計是煤電的3～5倍，即1.8～3.0元／(kW·h)[1]。但太陽能電池技術近幾年發(fā)展很快，已發(fā)展了第二代薄膜電池和第三代聚光光伏電池，制造成本大大降低。最近漢龍集團負責人透露，“該集團除了在雙流巨資打造全球首個太陽能聚光光伏產(chǎn)業(yè)園之外，已布局在四川涼山、攀枝花等地以及云南、青海、西藏開建太陽能聚光光伏發(fā)電站，最快兩年就可以建成投產(chǎn)和并網(wǎng)發(fā)電，與水電、火電同臺競價，直接參與競爭，可以讓太陽能聚光光伏電能由目前市場的近2元／(kW·h)下降至0.5元／(kW·h)，未來還可下降至大約0.3元／(kW·h)，到時，四川老百姓就可使用清潔便宜的太陽能聚光電能了！”。

2 太陽能電池及其制造中的焊接和表面工程技術

2.1 硅太陽能電池的生產(chǎn)鏈

太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。單晶硅、多晶硅電池及其電池方陣如圖1所示，這是太陽能應用的基礎。太陽能電池是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管會將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生電流。當多個電池串聯(lián)或并聯(lián)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣。硅太陽能電池分為單晶硅和多晶硅兩種，在四川樂山、新津、成都等地已有多條單晶硅和多晶硅的生產(chǎn)線。單晶硅雖然轉(zhuǎn)換率高，但生產(chǎn)較復雜、耗能較大和成本較高。多晶硅可用廢次單晶硅材料和純度較低的冶金級硅材料熔化澆鑄入石墨鑄模緩慢凝固冷卻鑄成多晶硅方棒錠，成本較低。目前更多的是采用多晶硅。多晶硅方棒錠要經(jīng)過切片、制作電池組件、封裝組件為太陽能電池。這個生產(chǎn)鏈產(chǎn)品的售價比例如表1所示。在太陽能電池生產(chǎn)鏈中，焊接及表面工程技術有重要作用。

2.2 太陽能電池生產(chǎn)工藝

圖1 兩種硅太陽能電池及硅太陽能電池方陣

表1 太陽能電池生產(chǎn)鏈中產(chǎn)品的售價比例[1]

2.2.1 硅太陽電池材料

單晶硅太陽能電池是以高純度(99.999%)的單晶硅棒為原料，也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復拉制成太陽能電池專用的單晶硅棒。多晶硅材料大多是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級硅材料熔化澆鑄入石墨鑄模緩慢凝固冷卻而成多晶硅方棒錠。冶金級硅材料是以石英、碳為原料，以碳棒和爐底為電極進行電渣熔煉將SiO2還原成Si，其平均純度可達到98.5%，要達到太陽能級還要經(jīng)過氯化物提純，目前國內(nèi)外多采用西門子氣液沉積法；國外電渣提純、等離子提純、電解提純等新技術都進入中試階段。單晶硅棒和兩者都需要切片機或線切割切割成片，經(jīng)過抽查檢驗，即可按所需要規(guī)格組裝焊接成太陽能電池組件(太陽能電池板)，用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構成一定的輸出電壓和電流。單晶硅成本高，能量轉(zhuǎn)換率較高；多晶硅成本低，材料制造簡便和節(jié)能，但能量轉(zhuǎn)換率稍低，后者應用最多。太陽能電池組件的制作工藝兩者相近。

2.2.2 組焊工藝

(1)電池檢測。選擇性能相近的組合。

(2)正面焊接。鍍錫的銅帶焊接到電池正面(負極)的主柵線上。

(3)背面焊接。背面焊接是將放在與電池大小相對應的凹槽內(nèi)的幾十片電池串聯(lián)在一起形成一個組件，用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極(負極)焊接到“后面電池”的背面電極(正極)上，并進行性能檢驗。

(4)敷設。按玻璃→EVA→電池→EVA→玻纖→背板行次序敷設，進行玻璃清洗、材料切割和玻璃預處理。

(5)層壓。在層壓機上抽真空、加熱熔化EVA，將電池、玻璃和背板粘接在一起后去毛邊(去邊、清洗)。

(6)裝邊框。包括涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框和擦洗余膠等工藝。

(7)焊接接線盒是連接電池與其他設備或電池間的連接。

(8)高壓測試。在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強度。

(9)組件測試。標定電池輸出功率，測試其輸出特性。

(10)外觀檢驗和包裝。

2.2.3 組焊新方法和設備

以前多用手工組裝和電烙鐵釬焊，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。現(xiàn)在最好的焊接方法是超聲波焊接(固相焊接)，能夠大大提高效率，如圖2所示。

圖2 超聲波點焊和縫焊原理示意[2]

超聲波焊接過程是在加壓的情況下，利用高頻振動波使彈性耦合系統(tǒng)帶動聲極作橫向振動產(chǎn)生切向應力，在加壓正應力的共同作用下，與另一工件局部摩擦產(chǎn)生熱塑性變形而固相結(jié)合，可以6 m／s速度進行焊接。超聲波焊接的結(jié)合強度高，組織變化和變形應力小，可以進行異種金屬、陶瓷材料或塑料焊接，也可以進行薄件甚至薄膜與較厚件的焊接，所以特別適合于太陽能組件、儲電池和太陽能應用產(chǎn)品的焊接。

較為典型的超聲波焊接設備和焊接過程如圖3所示。例如太陽能板和鋁帶或銅帶焊接，利用高頻振動波傳遞到太陽能板和金屬帶表面，在加壓的情況下，使金屬帶表面和太陽能板鍍膜表面相互摩擦而形成分子層間的熔合。其特點為：快速、節(jié)能、熔合強度高、導電性好、發(fā)光功率大、焊接時間短、無火花、安全環(huán)保。

圖3 典型的超聲波焊接設備和焊接過程

2.3 薄膜太陽能電池的焊接和表面工程技術

2.3.1 薄膜太陽能電池的種類

目前薄膜太陽能電池材料多為無機鹽多元化合物，主要包括砷化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲化鎘、多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池的效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，要防止它對環(huán)境造成污染。砷化鎵(GaAs)Ⅲ-Ⅴ化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，GaAs化合物材料具有理想的光學帶隙和較高的吸收率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池，但是GaAs材料價格較貴，因而在很大程度上限制了GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池(簡稱CIS)適合光電轉(zhuǎn)換，沒有光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣，具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后太陽能電池發(fā)展的一個重要方向。唯一的問題是材料來源，因為銦和硒都是比較稀有的元素。納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點是成本低、工藝簡單、性能穩(wěn)定。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1／10～1／5。壽命能達到20年以上。四川的攀西地區(qū)鈦鐵礦和金紅石礦十分豐富，TiO2是作焊接材料的主要原料，納米晶TiO2也有產(chǎn)品供應，研究開發(fā)納米晶TiO2太陽能電池很有條件。納米晶TiO2太陽能電池組與硅太陽能電池相比，除成本降低外，還具有以下優(yōu)勢：(1)可以制成透明的產(chǎn)品；(2)在各種光照條件下使用；(3)對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；(4)可在柔性基底上制備，擴大了應用范圍；(5)工作溫度高，可達70℃；(6)價格約為單晶硅的1／5，多晶硅的1／3。開辟廉價的太陽能電池是解決這一問題的理想途徑[2]。

2.3.2 薄膜電池的特點

薄膜電池的制造溫度很低、易于實現(xiàn)大面積制造。在同一受光面積下，硅薄膜電池可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量，目前轉(zhuǎn)換效率最高為13%，轉(zhuǎn)換效率并不高，但可與建筑物材料結(jié)合或是成為建筑體的一部分(見圖4)。薄膜太陽能電池除平面之外，也因為具有可撓性能夠制作成非平面構造，其應用范圍大，可以制成可撓薄膜太陽能電池，可在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金屬片等不同材料上當基板來制造。

圖4 薄膜太陽能電池

2.3.3 常用于薄膜或薄層的表面工程技術

常用于薄膜或薄層的表面工程技術有：化學溶液鍍膜、氣相沉積法鍍膜、濺射離子鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、等離子噴涂噴制膜。

2.3.4 薄膜太陽能電池制造的表面工程方法

薄膜太陽能電池的制造可使用多種表面工程技術，如表面電子回旋共振法、光化學氣相沉積法、直流輝光放電法、射頻輝光放電法、磁濺射法和熱絲噴涂法等表面工程技術，有的還用多次或多種表面工程技術復合。如美國賓夕法尼亞大學的研究人員首先用摻雜氟的氧化鋅包覆玻璃基質(zhì)，在其上噴涂500 nm厚的鈦薄層，這種透明的基質(zhì)可以從電池的前側(cè)射入陽光。然后在含氫氟酸和乙酸的電解液中進行陽極化處理，在氧氣中對薄層進行退火結(jié)晶。最終形成管孔直徑46nm、厚17nm、長360nm的二氧化鈦納米管陣列產(chǎn)品。

2.4 聚光光伏太陽能電池

聚光光伏太陽能電池使用晶硅電池和薄膜電池進行光電轉(zhuǎn)換，典型裝置如圖5a所示。硅電池和薄膜太陽能電池分別是第一代、第二代太陽能電池，均已得到了廣泛應用。

利用太陽照射到地面上的平均光強為1 kW／m2，單晶硅的轉(zhuǎn)化率為23%，多晶硅為16%；轉(zhuǎn)換效率最高的砷化鎵薄膜電池片達到35%以上，但是用砷化鎵電池制造的太陽能發(fā)電系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率只有25%。采用凸透鏡、菲尼爾透鏡或反光板匯聚太陽光后，再利用發(fā)電的聚光太陽能技術可將光強提高幾十到幾百倍，因而被認為是太陽能發(fā)電未來發(fā)展趨勢的第三代技術。該技術需要高性能的聚光、跟蹤太陽光和電池散熱系統(tǒng)。跟蹤太陽光的跟日器是一種可以沿水平軸定時一維旋轉(zhuǎn)，也可沿水平軸和垂直軸雙軸旋轉(zhuǎn)的金屬結(jié)構，其尺寸由承載的光伏電池面積而定。由成都鐘順公司設計制造的跟日器(見圖5b)為中型雙軸地平跟日器，水平轉(zhuǎn)角220°，垂直轉(zhuǎn)角63°，時間控制加光電傳感修正跟蹤，跟蹤精度0.5°，功率小于5 W，承載光伏電池面積8～30 m2。圖5c為安裝聚光光伏系統(tǒng)后的發(fā)電系統(tǒng)。跟日器的跟蹤和控制也是焊接設備中最常用和可借鑒的技術。

圖5 高效聚光太陽電池

3 太陽能集熱器及供熱裝置中的焊接

3.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器是接收太陽輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量直接使用，或聚焦太陽光使熱能集中作為熱源。集熱器及其焊接技術如圖6所示。一個好的太陽能集熱器應能使用20～30年，近期研制的集熱器可達40～50年。

圖6 集熱器的焊接

現(xiàn)有的平板式集熱器基本上都采用結(jié)合良好的多管組合方式，加熱板可用多種表面工程的方法涂敷吸熱層，其中走水管子與吸熱板之間用超聲波滾焊焊成，其熱阻幾乎可以忽略。設計良好的集熱器的效率在93%以上。另一種集熱器是全玻璃太陽能集熱真空管，結(jié)構分為外管、內(nèi)管、選擇性吸收涂層、吸氣劑、不銹鋼卡子、真空夾層等部分。全玻璃太陽能集熱真空管通常由高硼硅特硬玻璃制造，采用真空濺射選擇性鍍膜工藝，可分為鋁氮單靶鍍膜工藝和銅、鋁、不銹鋼三靶鍍膜工藝制成，與進出水管采用特殊的焊接封裝工藝連接。

3.2 太陽能熱水器

太陽能熱水器主體是集熱器。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，體積密度減小而上升，形成一個向上的動力，構成熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充較低溫度的水，如此循環(huán)往復熱對流，最終整箱水都升高至一定的溫度。太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道、抽水泵和其他部件。現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬臺太陽能熱水裝置。熱水器多為薄板結(jié)構和管結(jié)構或管板焊接。江浙一帶已有多家生產(chǎn)各種太陽能熱水器專用的超聲波焊機(見圖7)，如太陽能集熱板焊接機、太陽能集熱器焊接機、太陽能熱水器焊接機、太陽能集熱片焊接機、太陽能集熱管滾動焊接機、集熱器超聲波金屬焊接機、平板集熱器超聲波焊接機、太陽能集熱板滾焊機、太陽能吸熱板整板焊接機設備等。

圖7 太陽能熱水器專用的超聲波焊機

3.3 暖房結(jié)構

暖房系統(tǒng)是利用太陽能作房間冬天取暖之用，在許多寒冷地區(qū)已使用多年。大多數(shù)太陽能暖房使用熱水系統(tǒng)，亦有使用熱空氣系統(tǒng)。太陽能暖房系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱儲存裝置、輔助能源系統(tǒng)和室內(nèi)暖房風扇系統(tǒng)組成，其過程是：太陽輻射熱傳導，經(jīng)收集器內(nèi)的工作流體將熱能儲存(固體、液體或相變化的儲熱系統(tǒng))，再供熱至房間。

綜上所述，太陽能直接應用是一個復雜的焊接工程。其集熱器牽涉到鋁合金、不銹鋼和異種材料焊接，儲熱和輸送系統(tǒng)基本是薄板和薄壁管的焊接。

4 太陽能焊接

太陽能焊接是很早就有人提出的一種方法，但很少見到有太陽能焊接應用的報導。

4.1 直接利用太陽能焊接

直接利用太陽能焊接就是用凹透鏡聚焦太陽光，在焦面附近得到能量密度高的高熱區(qū)，并以此來加熱材料進行太陽能焊接。太陽光聚焦原理如圖8a所示，太陽能的熱量與光強和能量密度有關。焦面大小(即光斑直徑)決定了能量密度的大小；光斑直徑又與凹透鏡的分散角與焦距有關，其關系為d＝fθ。進行焊接時，光熱轉(zhuǎn)換效率還與材料有關，因為光與材料接觸時有部分被吸收，有部分被反射散失。焊接示意如圖8b所示。

圖8 太陽光聚焦原理和焊接示意[3]

4.2 利用太陽能并網(wǎng)發(fā)電的焊接

在光照充足地區(qū)建太陽能發(fā)電站并網(wǎng)輸送到用戶，這是一個方向，依賴于太陽能電池功能密度的提高和成本的降低。對用戶來說，設備無需作任何改變，仍然可以采用原來的焊接方法和設備進行焊接。

4.3 利用太陽能離網(wǎng)發(fā)電的焊接

在光照充足地區(qū)建設工廠可利用廠房屋面安放太陽能電池組件，建立離網(wǎng)獨立太陽能電站提供直流電。用光伏控制器輸出一定電壓和功率的直流電分作幾方面使用：(1)供各種專用太陽能直流焊機或儲能焊機進行焊接。(2)供專用的儲電池充電備用或用儲電池焊機進行焊接。(3)供太陽能逆變電源變?yōu)榻涣鞴└鞣N通用焊機焊接，焊機無需作任何改造。(4)儲電池可在有太陽時充電儲能，無太陽時放電提供直流電源供專用直流焊機或太陽能逆變電源變?yōu)榻涣鞴└鞣N通用焊機進行焊接。

4.4 利用太陽能工程車進行焊接

這是一種目前最需要發(fā)展的太陽能焊接。因為目前我國基本建設工程大力開展，很多工程都急需使用焊接，如軌道焊接工程、橋梁工程、油氣管道焊接工程、輸電工程、水電工程等的焊接工作量較大，而且大多在山野無電地區(qū)進行。現(xiàn)在的辦法是隨帶一個發(fā)電車或集裝箱，例如一臺接觸焊軌機就要配一套400 kW的柴油發(fā)電機，節(jié)能減排效果可想而知。問題是要用大功率、小面積的太陽能電池和大功率、輕質(zhì)量的儲電池。這兩方面的研究開發(fā)，國內(nèi)外都有了很大進展。

5 結(jié)論

(1)太陽能是取之不盡、節(jié)能、清潔、應用面廣的可再生能源，是國家新能源發(fā)展的重點。

(2)太陽能電池、儲電池的制造和應用與焊接新技術和新設備密切相關，這是焊接領域的無人區(qū)和少人區(qū)，有識之士，必搶先占領。

(3)焊接是一個應用面很廣、能耗大、排放多的產(chǎn)業(yè)，如能研發(fā)出節(jié)能減排的焊接切割方法，采用太陽能焊接是最佳的發(fā)展途徑，會對低碳經(jīng)濟作出重大貢獻。

[1]劉漢元，劉建生.能源革命改變21世紀[M].北京：中國言實出版社，2010.

[2]朱世富.材料制備工藝學[M].成都：四川大學出版社，1993.

[3]王元良，陳 輝.焊接科學與工程[M].成都：西南交通大學出版社，1998.

New development tendency in welding industry——welding and surfacing engineering in the application of solar energy

WNAG Yuan-liang1，2
(1.Research Center of Sichuan Advanced Welding and Surface Engineering，Chengdu 610031，China；2.Material College，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In this paper，introduced the profile of solar energy's application，specially welding and surfing engineering in solar collector and heating device，including production chain of the silicon solar cell，production procedure of solar cell，welding and surfacing egineering in the application of film solar cell，concentrating photovoltaic solar cell，solar collector，and heating equipment，and discussed the capabilities of several solar collectors are applied in welding industry.

solar cell；solar collector；welding and surfacing engineering

TK513

C

1001-2303(2012)04-0001-07

2011-03-22

王元良(1929—)，男，重慶人，教授，中國橋梁鋼結(jié)構協(xié)會理事，四川省及成都市焊接專業(yè)委員會副主任委員，主要從事焊接工程方面的軟科學以及焊接材料、自動化系統(tǒng)工程的開發(fā)研究和教學工作。