太陽能電池印刷線傳輸系統結構優化設計

于朋揚，楊志，任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

太陽能電池的印刷屬于光伏產業中的關鍵環節，其傳輸系統更是連接各個印刷步驟的橋梁，貫穿印刷的各個環節，它的優劣對整個太陽能電池印刷線都會產生一定的影響。

1 電池印刷工藝線流程

太陽能電池印刷工藝多種多樣，本文通過一個典型印刷線為例進行說明。該線電池片生產需進行2次正面印刷和2次背面印刷，其整線流程如圖1所示。

圖1 典型的電池印刷線工藝流程圖

在太陽能電池印刷系統中，傳輸機構是連接印刷主機、緩沖機和翻片機等各系統的關鍵機構，其重復使用率極高。因此，它的平穩性和成本將直接對整線設備產生很大影響。

2 傳輸系統優化前后對比

優化前，傳輸系統主要由各個獨立傳輸機構按順序排列組合而成，其結構相對復雜，并且每一個傳輸機構都需要配置至少1組電機，在整線組合后成本較高。根據墨菲法則，有可能出錯的事情就會出錯。因此，在產品設計時，結構越簡單，可靠性也就越高。根據這一原則，對傳輸系統進行了優化，優化后的結構采用可拆卸模塊化傳輸代替了之前的獨立傳輸，不僅使電池片在傳輸中運行更加平穩，減少了在過渡過程中可能出現的不確定性因素，而節省了所用的電機數量，使整套設備的成本有所降低。

2.1 優化前的傳輸系統

傳輸系統優化前采用的傳輸機構類型超過10種，整線由20多段傳輸機構拼接而成。選擇傳輸系統局部結構進行說明，此部分由三段獨立傳輸機構水平排布組成，如圖2所示，共使用了3組電機、1組夾緊氣缸。由于是三段機構拼接而成，其各段帶速、皮帶高度都會對電池片傳輸產生重要影響，控制電池片平穩傳輸需要較高的配合精度。由于帶輪較多，無形中也增加了在傳輸方向的結構尺寸。

2.2 優化的傳輸系統

優化后的傳輸系統將以前獨立的傳輸機構進行整合，其部分結構如圖3所示，優化后的系統為一個整體。其傳輸系統的主體主要由一個平板和兩個相同的支撐座構成。只需在支撐座上面進行相應的模塊化組裝就可以使其變成不同類型的傳輸機構，此系統實現的功能與優化前的系統完全相同。由于整體化處理，其結構復雜度降低，傳輸平穩性有所提高，所需的全部功能都可以由改變支撐座上組裝的模塊完成，相對于優化前的傳輸系統，后者的適用范圍更加廣闊，結構變化也更加靈活，并且節約了許多帶輪、電機等外購件，其產品成本得以下降。

圖2 優化前的傳輸系統

圖3 優化的傳輸系統

3 優化后系統細節分析

由于優化后的系統采用整體傳輸代替了傳統的獨立傳輸，導致支撐座之間跨度大大增加，力學性能有所降低，所以需要考慮其在大跨度下的形變問題。

3.1 有限元仿真分析

由于電池片本身很輕，且在運行中并無明顯震動，因此其慣性和阻尼可以忽略，只需應用ANSYS Workbench軟件靜力學模塊對其進行分析即可。由于對傳輸系統模型的有限元分析較為復雜，因此分析時忽略一些非重要結構及其力學載荷，對其進行必要簡化。簡化后模型如圖4所示。

對模型僅加載自重載荷，通過總形變值收斂的方法對不同網格劃分精度的模型進行遞進計算，最終取得其網格無關解，其結果及最終網格劃分模型如圖5所示。由圖表可知，隨著網格的進一步細分，其形變值呈現明顯收斂趨勢，當最后一次高精度網格劃分求解后，其形變值與上次差別僅0.015%，可以認為其形變解為網格無關解。

圖4 簡化后的傳輸系統

圖5 網格無關解與網格劃分模型

圖6為跨距1 450 mm的傳輸系統總形變云圖，從圖中可以看出，整個系統中段只在自重作用下就會產生0.116 7 mm的形變，對于傳輸的平穩性具有一定的影響。

3.2 結構尺寸優化

為了降低設備制造成本同時提高電池片傳輸的平穩性，可以在系統中段增加一個支撐座。在保證強度的前提下將上層平板厚度進行削減，并將圖4中與支撐座接觸的兩條細長支撐梁寬度尺寸縮減，使其變成瘦高矩形截面以增加抗彎截面模量，提高整體剛度。

按此方法對傳輸系統的結構及尺寸進一步優化，通過軟件對其加載與優化前相同的邊界條件，其最終總形變結果如圖7所示。從圖7中可以看出，其最大形變量為0.007 468 mm，總形變較之前者減少了93.6%，可見優化的效果非常明顯。

圖6 傳輸系統總形變云圖（變形放大680倍）

圖7 優化后模型總形變云圖（變形放大10 590倍）

進一步優化后的傳輸系統雖然多增加了一個支撐座，但在傳輸方向的板件及支撐梁結構尺寸縮減，整體成本反倒有所減少。

4 力學驗證

對其有限元軟件仿真的模型進行力學分析，通過結果對比，進一步驗證結構優化的合理性。為方便力學計算，可將模型近似等效為一根受均布載荷作用的簡支梁，其簡圖如圖8所示。由圖可知，中間支撐為固定鉸支撐，所受均布載荷相對于它左右對稱。

圖8 傳輸系統力學簡圖

左右均布載荷對中間固定鉸會產生彎矩作用，其彎矩最終相互平衡，可近似認為其左右撓曲變形量相同。因此可將模型沿對稱軸截斷，任取一段進行分析。進一步簡化后的模型如圖9所示。

圖9 進一步簡化的力學簡圖

將彈性模量與慣性矩等參數代入式(2)，則可以計算出簡支梁最大撓度，約為0.018 6 mm，其值與軟件分析得到的結果相差不大，滿足工程使用要求，進一步證明結構優化較為合理。

5 結束語

本文對原傳輸系統進行了優化設計，介紹了一種模塊化的傳輸系統。此系統將原來的分段式傳輸變為整體傳輸，在降低系統復雜度的同時減少了外購件使用數量，既提升了傳輸的平穩性又降低了設備的成本。并針對新傳輸系統，應用有限元仿真技術對其進一步優化，使系統總形變量與成本再次降低。最后通過力學近似計算，驗證了優化的合理性。

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