新型太陽能電池燒結爐的研制

蔣誠

摘 要：該文介紹了一款新型的太陽能電池電極干燥及燒結爐。通過全新的爐內氣流流場及排氣系統結構設計，減少揮發性有機物在爐內的積聚從而大幅 延長保養周期。通過使用新型冷卻器大幅 增加冷卻斜率，增強冷卻效果，同時降低了制造成本。通過滾刷系統替代了超聲波系統，實現了傳送網帶的實時清潔且降低了成本。通過取消爐室和冷卻系統的壓縮空氣，降低了設備的使用成本。

關鍵詞：太陽能電池 干燥爐 燒結爐 氣流流場 保養周期

中圖分類號：TM914 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0016-03

1 背景介紹

隨著單晶硅和多晶硅太陽能電池制造技術的發展，市場對作為后道工藝設備的干燥爐和燒結爐的要求也在變化。從公司市場部和銷售部的反饋信息來看，公司現有的干燥爐和燒結爐產品已經越來越不能滿足市場的需要，最直接的反饋就是銷量的下滑。針對這樣的情況，公司急需對現有產品進行升級換代。為了更清楚地了解晶硅電池生產廠商對設備的要求，筆者作為公司設計部的代表和市場部的同事一同走訪了國內主要的設備用戶。從客戶的反饋信息來看，對設備的改進要求主要圍繞著提高產量上，具體來說體現在以下幾個方面：（1）更高的網帶速度和更小的電池間距；（2）更長 的設備保養周期；（3）出口處更低的電池表面溫度。

2 分析

2.1 網帶速度和電池間距

“提高網帶速度和減小電池間距”意味著對輻射加熱單元提出了更高的要求。設備原來的輻射加熱燈管在最大網帶速度下，已經工作在滿功率的90%。更高的網帶速度和更小的電池片間距，需要增大輻射加熱燈管的功率。

2.2 保養周期

保養周期短是目前困擾晶硅太陽能電池生產廠商的一大問題。對于生產廠商來說，保養主要要做以下幾方面的工作：（1）去除凝結和固化的揮發性有機物；（2）清潔網帶；（3）檢查輻射加熱燈管，如有必要則進行更換；（4）檢查支撐網帶的石英管/棒，對磨損嚴重的進行更換。

影響保養周期的因素主要為前兩項，其中尤其以去除凝結/固化的揮發性有機物最為重要。在晶硅太陽能電池的生產工藝中，正負電極和鋁背場是以絲網印刷的方式將銀漿料和鋁漿料印在處理過的晶硅片上，然后再進入干燥爐和燒結爐中進行干燥和電極的金屬化燒結。這種工藝就決定了在生產過程中會有大量的揮發性有機物（VOC）產生。揮發性有機物在遇到低溫光滑表面會發生凝結，因此，如不能及時將其 排放到設備外進行無害化處理，揮發性有機物就會在設備內積聚、凝結、甚至燃燒。根據干燥爐和燒結爐溫度設定的不同，氣化的揮發性有機物主要在干燥爐和燒結爐的初段產生，尤其以干燥爐中產生的量最大。圖1為目前市場上主流的干燥和燒結爐的爐室外形結構布局，從布局圖中可以看出爐室中揮發性有機物的排放是通過位于爐頂 的氣體排放管將富含揮發性有機物的空氣排放到工廠的收集管道中。氣體排放管的結構為文丘利管結構，如圖2所示，壓縮空氣從細管入口進入，從細管出口流出，由于壓縮空氣的壓力比較高，在細管 出口的高壓噴射氣流會在排氣管的進口段形成負壓，從而將爐室內富含揮發性有機物的空氣吸入排氣管內隨壓縮空氣一道排入工廠的氣體收集通道內。這種排氣管由于其工作原理和結構的特點，有其先天的缺陷。當爐內的熱空氣在高壓氣流所產生的抽吸作用下流入氣體排放管，冷熱氣流會發生混合。熱空氣中的揮發性有機物，在溫度降低時飽和濃度會降低，凝結的液滴和固體顆粒會附著在氣體排放管的內表面及細管出口處。當聚積在排放管內表面時，會使氣流通道變窄，時間一長會造成氣體排放能力的嚴重下降。當液態及固態的凝結物積聚在細管出口時，會造成出口的部分堵塞，造成壓縮空氣的流量降低，從而進一步降低排氣管的排放能力。在這兩種現象共同作用下，爐室內的揮發性有機物不能及時排出，時間一長，就會從爐室兩端的開口處逸出，形成“冒煙”現象。這種沒有經過無害化處理的富含揮發性有機物的氣體會嚴重污染環境、危及人員健康。為避免這種現象，生產廠商不得不頻繁進行排氣管的清理和保養工作，甚至每一到兩周就要進行一次清理和保養。因為每次保養都會造成整條生產線 的停工，頻繁地停工對經濟效益的影響不言而喻。因此，晶硅太陽能電池的生產廠商對延長保養周期的呼聲十分強烈。另外，這種爐室結構由于排氣管都位于加熱區頂部，在進行爐室內保養時需要拆掉排氣管才能進行，這又加長了每次保養所需的時間。

基于以上的分析，需要對爐室的排氣結構及方式進行重新設計，設計的重點在于對爐室內的氣流流場進行重新設計和布局，減少揮發性有機物的凝結和結晶，并使排氣管更不容易堵塞。

2.3 出口處的電池表面溫度

根據目前的晶硅太陽能電池的生產工藝流程，當電池片完成電極的金屬化過程后就要檢測電池效率。為方便后道的檢測，生產廠商普遍希望晶硅電池在離開燒結爐時的溫度要低至50 ℃左右。

目前冷卻器結構是以壓縮空氣通入冷卻器內部，通過位于上方和下方的水冷壁對空氣進行降溫，低溫空氣再對傳輸網帶和晶硅電池片進行冷卻。由于水冷壁對空氣的降溫以及空氣對晶硅電池的降溫要在冷卻器內部按順序完成，加之網帶有較高的運行速度，單位時間內對晶硅電池的冷卻效果就比較差。如不增加冷卻器長度，只能實現65 ℃左右的出口溫度。如不更改現有結構，要想實現50 ℃左右的出口溫度，就要降低網帶運行速度或者額外增加一個冷卻器。由于產量的需要，行業內的趨勢是網帶速度越來越快，降低網帶運行速度是不現實的。另一方面，由于目前冷卻器為鋁制機加工件，造價比較昂貴，增加冷卻器會大幅提高成本，這也是雙方需要避免的。另外由于現有冷卻器要使用壓縮空氣，使用者的使用成本也會比較高。因此，在能滿足冷卻效果的前提下，應考慮循環使用冷卻空氣，以降低能耗，增加效益。

基于以上分析，需要設計一款不使用壓縮空氣并可循環利用冷卻空氣的新型冷卻系統。

3 設計endprint

3.1 更高的網帶速度和更小的電池間距

這一要求從設計的角度來講主要考慮兩方面的問題：一是網帶驅動電機的能力；二是輻射加熱燈管的功率。網帶驅動電機的功率還有足夠的余量可以滿足要求，所以無需做任何變化。輻射加熱燈管的功率需要根據網帶速度增加的幅度和間距減小的幅度做同比例放大即可。

3.2 爐室排氣系統

根據前面的分析，需要對排氣結構和方式進行重新設計。首先在結構上，排氣通道的位置不要放在加熱區的正上方，要給加熱區打開爐室蓋子進行保養留出空間。剩下的進口緩沖區和出口緩沖區筆者認為出口處更適合布置排氣通道，因為在出口位置揮發性有機物的濃度達到最大，排氣通道布置在這里更高效。其次，排氣通道的截面積要增大，以便防止堵塞。另外還要摒棄以往容易堵塞的文丘利管的結構，采用更為高效的離心式風機進行排氣。基于以上的想法，筆者設計了如圖3所示的干燥爐爐室及排氣系統布局。

因為排氣系統靠近爐室的出口，排氣風機工作時是否會對位于遠端的爐室進口處的氣體產生足夠的拉動就成了這一布局成敗的關鍵。因為如果對遠端的拉動不足，那么含有揮發性有機物的氣體可能會從遠端逸出，而不是從排氣管排出。為了檢驗這一布局，筆者用Ansys軟件對室溫狀態下，排氣管內截面平均流速為2 m/s的條件下爐室內流場速度進行了模擬。圖4為爐室縱向中央截面的速度矢量圖。由圖可以看出：出口處的氣流速度明顯高于進口處的氣流速度；進口處氣流速度低；進口處第一加熱區氣流方向紊亂，氣體存在外逸的可能。可見，目前的結構使排氣的效果不理想，需要進行改進，改進的方向為增大氣體從爐室進口到出口的流通面積以達到減小氣體流動阻力的目的。為此，筆者在加熱區之間的隔斷上部設計了高為2 cm的窗口并重新對改進后的設計進行了模擬，模擬結果如圖5所示。由圖5可見，結構改進后流場速度分布比較均勻，爐室進口和出口的速度差大為減小，進口處氣體外逸的可能性小。

3.3 傳輸網帶清潔系統

對于傳輸網帶的清潔方式，筆者也做了改進。改進前網帶是以通過超聲波水箱的方式進行清潔。因為清潔后網帶還帶有水，因此要利用爐室的加熱功能進行烘干。這一清潔模式決定了在清潔網帶時不能進行生產，很多太陽能電池生產廠商對此意見很大，希望在清潔網帶時能夠不影響生產。針對這一需要，筆者設計了簡單易用且低成本的滾刷網帶清潔系統。簡單地說，就是將滾刷以兩個軸承座固定在網帶下，軸的一端以鏈輪和鏈條連接在網帶驅動輪上。當網帶驅動輪驅動網帶運動的同時也會帶動滾刷轉動以達到對網帶的實時清潔。相對于超聲波清洗，滾刷清潔既能做到實時清潔，不影響生產，又大幅降低了設備成本，優勢十分明顯。

3.4 冷卻系統

基于前面的分析，筆者設計了鈑金結構的冷卻系統，其核心結構為冷卻器本體，其外形結構如圖6所示，兩個空氣入口經三通連接至離心風機出口，空氣出口接至離心風機入口。冷卻器本體的剖面圖如圖7所示。冷卻系統的工作原理為：來自離心風機空氣經冷卻器的兩個空氣入口進入集氣室，集氣室的底部為孔板結構，帶有一定壓力的空氣經孔板上排列的小孔垂直吹在晶硅電池片和網帶上對其進行降溫，換熱后的空氣在離心風機進口的抽吸作用下經翅片管換熱器冷卻后流回風機進行再循環。該冷卻系統的特點是空氣循環利用，既不用壓縮空氣，也不用消耗室內的空調氣，客戶的使用成本低。同時，鈑金結構的本體同鋁制機加工的本體相比可節約成本50%以上，制造成本優勢十分明顯。最重要的是，因為帶壓空氣是垂直吹在晶硅電池片上，換熱系數高，冷卻效果好，實驗證明其冷卻斜率在其它條件相同的情況下可達90 ℃/s，而改進前的冷卻斜率只能達到50 ℃/s。在空氣進口處還可壓力傳感器對風壓進行閉環控制，實現對冷卻斜率的調節。

4 驗證及應用

在樣機生產出來之后被放到上海某太陽能電池生產廠的某條生產線上進行了長期的驗證。事實證明，在3600片/小時的產量下，設備在兩個月時間內運行穩定，電池片的出口溫度穩定在40 ℃。停機檢查時，只在排風管頂部的風機機箱內有揮發性有機物的凝結和固態結晶，排氣管和爐室內未見。保養周期從原來的兩個星期延長到兩個月以上。在檢修時只需拆下清理風機機箱即可，十分簡單方便。由于取消了排氣和冷卻用的壓縮空氣，使用成本大幅降低。目前，該型設備已經應用在英利太陽能發電技術國家重點實驗室中。

5 結論

該新型太陽能電池燒結爐的爐室排氣系統和網帶清潔系統可大幅延長設備的保養/檢修周期；冷卻系統可大幅降低電池出口溫度，并可實現冷卻斜率的可調節性；新型的滾刷式網帶清潔系統相對于超聲波清潔系統有著巨大的成本優勢。

參考文獻

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