一種新型太陽能電池組件層壓機混合加熱系統

石磊，陳立東，馬淑英，張亮，李國昉

(1. 河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島066600;2. 秦皇島新禹機械設備有限公司，河北秦皇島066004)

加熱系統是太陽能電池組件層壓機的一個重要組成部分，其性能的好壞直接影響層壓組件層壓質量。目前加熱系統主要采用碳素加熱板加熱和油加熱系統。碳素加熱板加熱系統主要是通過在工作臺下表面設置的碳素加熱板進行加熱。由于加熱板和工作臺表面是固態與固態之間傳熱，其傳熱效果受兩體間接觸情況影響較大［1］，因此對工作臺表面溫度均勻性不易控制，造成溫度梯度較大且不均勻，容易使電加熱器損壞和工作臺變形，進而影響層壓組件的層壓質量。而采用油加熱方式主要是利用導熱油或其他介質對工作臺進行間接加熱，其傳熱效果較好，但其升溫時間較長，輸送熱油管路復雜［2］，而且由于導熱油介質在單向流動過程中具有一定的溫度梯度，工作臺的表面產生溫差較大，整體溫度均勻性較差，此外層壓機開蓋、合蓋也采用液壓系統，使層壓機的系統龐大、笨重，維修較困難。

為此，設計了一種新型混合控溫太陽能電池組件層壓機加熱系統，該系統是在工作臺加熱管內安裝有加熱芯，并利用油作為導熱介質對層壓組件進行加熱，導熱介質的單向流動，避免了工作臺表面產生大的溫度差，同時利用溫度測控儀對油溫進行監測與控制，達到提高工作臺表面溫度均勻性和穩定性的目的。

1 混合加熱系統的總體結構及工作原理

混合加熱系統是由安裝在工作臺內的S 形管路、電加熱系統、溫度檢控系統等組成，其組成原理如圖1 所示。

圖1 混合加熱系統的基本結構

加熱芯可以直接加熱S 型管路中的油，能夠很大地提高油加熱的效率。層壓機工作臺內部的S 形管路的兩端分別接油泵的出口和入口，油泵工作時可使經電加熱芯加熱的油液在管路內循環流動，對溫度進行熱補償。溫度檢測和控制系統包括溫度傳感器、信號放大器、智能溫度測控儀、固態繼電器等。溫度設定和顯示系統由觸摸屏組成。當太陽能層壓機開始工作時，首先接通電源啟動熱油泵電機開始供油，當油進入S 型管路后，通過觸摸屏設定工作溫度及加熱占空比，啟動加熱系統開始對油進行加熱，傳感器通過放大器放大油溫信號并傳給溫度測控儀。溫度測控儀對信號進行分析檢測，當測量溫度與工作溫度產生偏差時，信息就會通過溫度測控儀傳送到其內部的單片機，內部單片機通過所設計的程序對固態繼電器的通斷進行控制，進而對加熱芯進行加熱調整。同時溫度測控儀將油溫信號通過MAX485 芯片接口傳給總單片機，觸摸屏通過總單片機循環顯示測得的溫度。

2 主要部件設計

2.1 加熱部分結構設計

加熱部分由S 形管路和安裝于其內部的電加熱芯組成。S 形管路內裝有導熱介質，并由油泵驅動使其在管路中做循環流動。電加熱芯為加熱體內設置的電熱絲組件，安裝于S 型加熱管路中，一端與管路接頭連接，另一端通過芯片接口與溫度測控儀連接。加熱芯三個一組作為一加熱單元，由溫度測控儀控制固態繼電器的通斷從而控制對加熱芯的加熱。因此，通過配置的加熱芯分別對不同區域的工作臺內的S 形管路進行加熱，并通過管路中熱油的流動對溫度進行補償，這樣有效解決了工作臺的溫度梯度和加熱均勻性問題，其結構如圖1 所示。

2.2 溫度檢測和控制系統

溫度檢測及溫度控制系統由傳感器、信號放大器、溫度測控儀、固態繼電器組成，其組成及工作原理如圖2 所示。PT100 鉑熱電阻作為測量溫度用的傳感器把測得的油溫溫度信號轉換為電信號，經由AD623 放大器將得到的微弱信號放大并輸入溫度測控儀，經由內部的單片機與設定值進行比較，采用專家PID 算法計算并控制，然后由單片機發出指令，通過控制固態繼電器來控制加熱芯的加熱。

圖2 溫度檢測及控制圖

2.2.1 硬件系統設計

檢測和控制系統的硬件由PT100 鉑熱電阻溫度傳感器、AD623 信號放大器、內部單片機芯片為STC12C5A32AD 智能溫度控制儀及固態繼電器等組成，其結構原理如圖3 所示。

(1)PT100 鉑熱電阻溫度傳感器

PT100 鉑熱電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，具有較高的傳感精度及穩定性，應用溫度范圍廣，非常適于－200 ～650 ℃溫度范圍內的精確測量。具有諸多優點:①由于PT100 鉑熱電阻溫度傳感器內部采用三線式接法，從而使其具有極高的測量精度和極小的測量誤差。②鉑熱電阻的線性較好，當測量溫度范圍在－50 ～200 ℃時，溫度和電阻值的關系接近于線性關系，偏差極小，且電氣性能穩定。③具有體積小、耐振動、可靠性高。④準確度高、耐高壓、穩定性好、產品壽命長、使用方便和價格便宜等優點［3］。

針對太陽能電池層壓過程中，要求層壓機工作臺的工作溫度具有高均勻性和高穩定性，并且要求工作溫度范圍在20 ～150 ℃之間，而在此溫度范圍內鉑熱電阻的電阻值與溫度的關系基本為線性，并且具有良好的測量精度和穩定性［4］，因此采用鉑電阻作為溫度傳感器元件。

(2)AD623 放大器

AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3 ～+12 V)下提供滿電源幅度的輸出。它允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的靈活性，符合8 引腳的工業標準配置。在無外接電阻條件下，AD623 被設置為單增益(G =1)。在外接電阻后，AD623 可編程設置增益，增益最高可達1 000倍。AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持較小的誤差，并且具有低功耗、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出以及較高的穩定性，該放大器處于傳感器和單片機中間。

2.2.2 智能溫度測控儀

智能溫度控制儀可以將加熱管的工作溫度以一定的精度穩定在設定溫度偏差較小的范圍內，從而采用溫度控制儀彌補缺少的熱量或過剩的熱量，以保持工作臺溫度的穩定。該系統溫度測控儀內部采用STC12C5A32AD 單片機芯片，程序采用專家PID 控制，當通過熱電阻采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，單片機可根據測量信號與給定值的偏差進行比例(P)、積分(I)、微分(D)運算，從而控制繼電器通斷比率，促使測量值恢復到給定值，達到自動控制的效果。

智能溫度測控儀具有0 ～50 ℃、0 ～100 ℃、0 ～200 ℃、0 ～300 ℃等多種規格，針對工作溫度要求，該設計的工作溫度范圍要求為30 ～150 ℃，因此采用規格型號為0 ～200 ℃的測控儀，其分辨率為0.1 ℃，整機誤差小于0.05% (包括傳感器誤差);回差可設定為量程范圍的0.1% ～2%;測量周期為1 次/s，可及時反映外部溫度的變化。智能化溫度測控儀采用了獨特的由STC12C5A32AD 單片機控制的A/D 轉換電路，具有分辨率高、成本低等特點，并使用了數字濾波等多項軟件技術，提高了儀器的測量精度。

圖3 硬件結構原理圖

2.2.3 固態繼電器

固態繼電器采用80Z 固態繼電器(SSR)，該繼電器是一種全部由電子元器件組成的新型無觸點開關器件，具有高可靠性、長壽命、低噪聲、開關速度快、抗干擾能力強、耐振動、耐沖擊、防濕、防潮、防腐蝕，能與TTL 、CMOS 等邏輯電路兼容的優點，并且具有獨特的過零導通的特點，因此在對加熱絲的控制上具有良好的應用性。

2.2.4 軟件系統設計

溫度測控系統的控制軟件程序采用專家PID 算法進行模糊控制，總單片機采用STC89C54RD +芯片進行溫度設定和向觸摸屏輸出溫度。

該系統首先由觸摸屏向系統設定溫度傳送給主單片機，然后發送給從單片機，開始啟動加熱系統加熱，同時PT100 采集溫度送給從單片機開始專家PID計算并控制加熱系統。進行控制的同時從單片機不斷再將采集的溫度輸送給主單片機并顯示到觸摸屏上。

圖4 主程序流程圖

該系統除了嚴格、正確無誤的邏輯控制之外，還需要對溫度實施快速、穩定的高精度控制，即要求對溫度的控制要有很好的動、靜態品質。因此采用專家PID 控制算法，其主程序流程如圖4 所示。

2.3 溫度設定和顯示系統

溫度設定和顯示系統由MAX485 芯片接口、總單片機(STC89C54RD +)和觸摸屏 (LJD-eWinA400(嵌入型))等組成。

2.3.1 MAX485 芯片接口

MAX485 接口芯片是Maxim 公司的一種RS485 芯片，采用單一電源+5 V 工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式。它具有將TTL 電平轉換為RS-485 電平的功能。

MAX485 是美國電氣工業聯合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準接口芯片。采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離可以達到1.2 km。最大可連接32 個驅動器和收發器，具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的MAX485 接口方便地建立起設備網絡。接收器靈敏度可達±200 mV。最大傳輸速率可達10 Mb/s。MAX485 在遠距離、高靈敏度、多點通訊區域有著良好的應用。

2.3.2 觸摸屏

觸摸屏采用藍海LJD-eWinA400 (嵌入型)，LJD-eWinA400 作為一個可顯示的終端控制設備，10.4 寸高清晰真彩數字屏，輸出分辯率640 ×480，LED 背光，可以通過232 或485 接口與下位機連接。這種顯示界面與控制系統分離的結構的優勢在于，可以使各個系統更獨立，無需相互之間過于依賴，使系統升級更為方便。LJD-eWinA400 較傳統顯示屏具有更完善的人機界面系統，可根據自己的需求DIY，移植性能強大，并且支持強大的. NET Compact Framework2.0 應用程序開發，簡化了在智能設備上開發應用程序的過程，使得開發周期更加快速。超高集成度，帶完整的嵌入式結構，方便用戶現場安裝固定。而且啟動時間不超過10 s，用戶內存高達60 MB。

3 結論

采用油電混合加熱，不僅可以提高加熱效率同時利用加熱油循環流動對工作臺表面進行補償，尤其是對于大面積組件封裝效果更為明顯。實踐證明，采用智能溫度測控儀對油溫進行調控，避免了溫度梯度，提高了溫度的均勻性，其溫度控制精度小于等于0.8℃，不均勻度低于1.2 ℃。

【1】石磊，夏金強，趙國永，等.基于Pro/E 的太陽能電池組件層壓機的設計［J］.太陽能，2008(11):35 －36.

【2】魏星，魏洪福，魏洪利. 太陽能電池組件層壓機加熱平臺:中國，CN201518323U［P］.2010 －06 －30.

【3】余發慶.傳感器技術與應用［M］. 北京:機械工業出版社，2002.

【4】石磊，陳立東，馬淑英，等.太陽能電池組件層壓機加熱系統的設計與試驗［J］.河北科技師范學院學報，2009，23(4):32 －35.