真空系統在硅電池焊接工藝中的優化應用

王翼倫，張福家

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

真空系統在硅電池焊接工藝中的優化應用

王翼倫，張福家

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

簡述了硅電池焊接設備中的真空系統原理及結構，講解了真空系統對硅電池焊接工藝的影響因素，提出了優化真空系統的技術途徑，并介紹了驗證效果。

硅電池；焊接工藝；真空系統

在硅電池組件焊接領域，真空系統主要應用于硅電池片的定位和抓取，硅電池片薄而脆，非常容易碎裂，因此，在大規模生產中，真空系統的工藝性能及可維修性直接影響光伏組件的批量生產質量。

1　硅電池焊接工藝中抽真空系統原理及結構

在硅電池焊接領域，抽真空系統應用主要有三種情況：

（1）硅電池的抓取。如圖1所示，采用三個扁平圓錐狀橡膠吸嘴，吸嘴底部是真空泵的密封管，工作時通過密封管泵出吸取嘴內的空氣，使吸嘴牢牢吸附于硅電池表面，從而進行硅電池搬運、傳遞、放下操作；

（2）硅電池、硅電池串的定位：鋼帶傳輸硅電池片，鋼帶中間有氣孔，提供真空吸力，將硅電池片、焊帶壓座吸附在鋼帶上，以防硅電池片、焊帶相對位移，隨著鋼帶移動到焊接溫度場，從而完成焊接過程，如圖2；

圖1　硅電池抓取

圖2　硅電池、硅電池串的定位

（3）硅電池串的抓取。采用10～12個扁平圓錐狀橡膠吸盤，吸盤底部是真空泵的密封管，工作時通過密封管泵出吸盤內的空氣使吸嘴牢牢吸附于硅電池片表面，從而進行電池串搬運、傳遞、放下操作，如圖3。

圖3　硅電池串的抓取

2　真空系統在硅電池焊接工藝中存在的問題

在硅電池片的抓取中，圖1結構及控制必須穩定可靠地抓取硅電池片，并平穩放下硅電池片，在實際應用中，會出現壓力過大，吸破硅電池現象，也會出現壓力過小，吸附力不夠，硅電池片摔破的現象。

在硅電池片及硅電池串的定位中，圖2結構需提供連續真空吸力，以保證硅電池片、焊帶、鋼帶、焊帶壓座相對固定，以便保證精準焊接，在實際應用中，焊帶與硅電池片電極會產生一定錯位，有時會出現較大偏差，出現“露白”。

在硅電池串的抓取中，圖3結構需提供連續多點穩定的真空吸力，以保證硅電池串的每片硅電池能夠穩定地吸附于吸嘴并快速搬運到光伏玻璃上，在實際應用中，會出現電池串墜落、硅電池吸破等現象。

在設備的最初設計上，考慮到設備可靠性，三種抽真空系統主要采用進口部件，隨著設備運行時間長期化，真空系統的維護需要的進口零部件缺乏反而延長了設備故障的停產時間，在大規模自動化生產條件下，需要做到“萬無一失”，才不至于造成明顯的成本及質量風險，整套真空系統進行技術優化勢在必行。

3　真空系統的優化措施

3.1真空系統的集中式優化

由于采用集中式真空系統，能夠節約能源，有效避免單獨真空系統帶來故障，提高系統設備的可靠性和時效性，并實現主要設備部件國產化。系統采用以真空泵為真空發生裝置的并聯多路真空系統，真空泵的吸入口直接形成負壓，真空管路與多臺真空吸附夾具相接，真空系統原理圖見圖4，真空供應電磁閥通電后氣控換向閥左端進氣，當吸穩硅材料后，真空度達到真空壓力開關所設定的壓力時，則發出電信號，進行后到工序。當真空破壞電磁閥通電后，壓縮空氣經真空破壞電磁閥、真空過濾器和真空吸取口進入真空吸附夾具，迅速消除真空，釋放硅材料。

3.2真空穩壓技術優化

為保持硅電池焊接設備整體真空度的穩定性，采用控制辦法為：一方面在主真空回路的抽氣口串入真空調壓閥，通過對真空調壓閥的控制來保持真空度的穩定，另一方面在真空支路上采用流量控制器反鎖控制，對進氣量進行調節達到穩定真空度，減少多個真空支路相互間的影響，同時主真空回路中間加真空平衡罐，如圖5。

圖4　真空系統原理圖

圖5　真空穩壓系統

采用變頻型真空泵和膜片型真空壓調節器；在硅電池焊接工藝設備工作過程的大多數時間，實際上只需要使用真空泵容量的一部分。隨著真空泵容量需求量的變化，用變頻型真空泵調整真空泵的速度使其匹配空氣流動量要求，維持真空壓穩定。膜片型真空壓調節器控制精度高，采用非常靈敏的真空感應閥與膜片上主閥相連并進行控制調節。

真空壓調節器、真空壓感應器安裝在真空平衡罐和分離罐之間，安裝位置靠近分離罐，以便能精確檢測到接收罐內的真空壓波動。為了避免真空壓調節器故障導致真空壓劇烈上升，對原材料及設備本身都會造成危險，在靠近真空泵位置除了安裝真空壓調節器外，補裝一個泄壓閥，在系統真空壓異常增加時，泄壓閥將自動開啟，達到自動泄壓效果。

為了讓真空壓調節器在設備運行期間維持系統真空壓穩定，從接收罐至真空壓調節器之間的摩擦力保持最小，真空泵就能在越低的真空壓水平下運行，同時，其容量也會更大，消耗能量更少。在設計上保持主空氣管道越短，直徑越大，彎頭管和零件越少，內表面越光滑干凈，摩擦力就會越小；攔截器安裝在真空泵和真空調節器之間，攔截由分離罐逃逸的液體，過濾進入真空泵的空氣，避免真空泵過度磨損。

3.3真空系統保養及環境優化

真空壓調節器內有運動部件，變臟后會因摩擦而降低其靈敏性，所以真空壓調節器必須安裝在干凈、干燥位置，并定期清理或定期更換膜片，其最大調節容量高于真空泵容量20%；在真空泵進行更換時，真空壓調節器也需同時進行相應更換。

空氣過濾器需定期保養清洗以確保空氣流動無阻，從而避免真空泵過度磨損。

為防止硅片碎屑及空氣灰塵等意外進入主空氣管道造成污染和增加摩擦力，在分離罐、真空壓平衡罐、攔截器或空氣過濾器等位置設置自動排流裝置進行自動排放。

加強真空泵通風散熱，保持真空泵排氣暢通，防止揮發物倒流，改善泵油性能，提高真空泵極限真空。

4　優化效果驗證

通過對硅電池焊接設備真空系統優化后，我們進行了對比測試，正常穩定運行情況下，真空壓穩定在40 kPa。如圖6所示，當電池片、電池串或焊帶脫落時，真空壓會下降。真空壓馬上穩定在39 kPa，當各真空支路全部停止運行，真空壓上升，但立即穩定在41 kPa，真空壓波動范圍±2 kPa，真空壓穩定性較理想；同時，系統因真空壓不穩造成的電池碎片由改造前的1.5‰降低到0.6‰，設備運行質量及成本降低效果明顯提升。

圖6　真空壓測試曲線圖

5　結束語

在確定優化技術方案前，反復進行了調研、驗證，由于真空泵系統復雜，元器件種類多，重新鋪設真空系統造價較高，因而采用了原有三條獨立真空系統中的一條進行了技術環節完善及真空供氣集成，減少了優化成本；優化后的真空泵系統的最大真空度可達8 kPa，真空的吸入流量很大，安裝維護方便，可靠性高，減少車間工廠的改造費，具有較好的經濟效率。

[1]陳凡，周繼.真空系統的改進設計[J].液壓與氣動，2002，(10)：42-44.

[2]時圣勇.射流式真空發生器[J].液壓與氣動，1991，(2)：35-37.

Optimization Application on Vacuum Systemin Silicon Cell Welding Technology

WANG Yilun，ZHANG Fujia
(The 48thResearch Insititute of CETC，Changsha 410006，China)

This paper introduces the principle and structure of vacuum system in silicon cell welding technology，and explains the factors affecting welding technology.Several technical ways to improve the welding process quality are proposed.And the verification results are introduced.

Silicon cell；Welding technology；Vacuum system

TB79

A

1004-4507(2016)11-0022-04

2016-10-25

王翼倫（1973-），男，湖南祁東人，工程師，主要從事太陽能電池組件工藝研究。

張福家（1971-），男，湖南衡山人，高級工程師，主要從事太陽能電池組件工藝研究。