太陽(yáng)能組件自動(dòng)化裝配技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

作者簡(jiǎn)介：龍倩文（1986—），女，本科，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程。

摘要：太陽(yáng)能電池組件的原理是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，利用電池部件存儲(chǔ)能量以供后續(xù)使用，或者直接作為動(dòng)力促進(jìn)負(fù)載系統(tǒng)運(yùn)行等，為生產(chǎn)生活活動(dòng)提供能量來(lái)源。該文總結(jié)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，說(shuō)明自動(dòng)化裝配的實(shí)施流程、總裝配技術(shù)、防控網(wǎng)狀隱裂的技術(shù)方法等方面，同時(shí)還探討了該技術(shù)在太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)發(fā)展中的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化裝配技術(shù) 太陽(yáng)能組件 封裝 技術(shù)研究 生產(chǎn)效率

中圖分類號(hào)：TK51 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? ????文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The principle of solar cell module is to convert solar energy into electric energy， use battery components to store energy for subsequent use， or directly as power to promote the operation of load system， so as to provide energy source for production and living activities. This paper summarizes the technical status at home and abroad， and explains the implementation process of automatic assembly， general assembly technology， technical methods for preventing and controlling mesh cracks， etc. In addition， this paper also discusses the future development trend of this technology in the production and development of solar cell modules for reference only.

Key Words： Automatic assembly technology; Solar modules; Encapsulation; Technical research; Production efficiency

生產(chǎn)太陽(yáng)能電池組件過(guò)程中，封裝是主要環(huán)節(jié)，封裝過(guò)程比較復(fù)雜，有嚴(yán)格的流程要求。自動(dòng)化裝配是現(xiàn)代主流生產(chǎn)方式，國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化串聯(lián)焊接、自動(dòng)化敷設(shè)作業(yè)、自動(dòng)化裝框作業(yè)等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)技術(shù)也得到快速發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距。了解太陽(yáng)能電池組件特點(diǎn)、持續(xù)優(yōu)化裝配技術(shù)，是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)效發(fā)展的客觀要求。

1當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用形勢(shì)

1.1國(guó)內(nèi)方面

太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，在2018年受到國(guó)內(nèi)531政策、美國(guó)201條款與301條款影響、歐盟MIP結(jié)束和印度防衛(wèi)性關(guān)稅等影響，呈現(xiàn)供應(yīng)鏈、系統(tǒng)端不穩(wěn)定趨勢(shì)。自2019年供應(yīng)鏈價(jià)格走低和政策性調(diào)控影響下，太陽(yáng)能行業(yè)需求持續(xù)增長(zhǎng)，至2021年，太陽(yáng)能已經(jīng)成為重要的現(xiàn)代化能源之一，應(yīng)用范圍較廣[1]。在此過(guò)程中，太陽(yáng)能電池組件行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，在該行業(yè)中，信息技術(shù)、電氣技術(shù)、機(jī)械化技術(shù)和控制管理技術(shù)等有效融合，綜合多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化溫控、成套裝備控制、計(jì)算機(jī)控制、精密傳動(dòng)等，有效應(yīng)用了視覺(jué)檢測(cè)與圖像分析技術(shù)，通過(guò)工藝集成與系統(tǒng)集成控制，利用計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)軟件等實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化發(fā)展。太陽(yáng)能電池組件裝配技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，逐漸趨于定制化、柔性化制造，技術(shù)更新迅速，智能化特點(diǎn)日益顯著。經(jīng)過(guò)技術(shù)發(fā)展迭代，裝配技術(shù)自動(dòng)化水平持續(xù)提升，實(shí)現(xiàn)從人工為主向機(jī)械化裝配，然后發(fā)展至自動(dòng)化裝配水平。在當(dāng)前，自動(dòng)化串焊、敷設(shè)和狀況水平較高，通過(guò)實(shí)時(shí)信息采集、圖像識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)和智能化精準(zhǔn)控制，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度顯著提升[2]。目前技術(shù)應(yīng)用中可較好開(kāi)展物流自動(dòng)化，信息采集識(shí)別技術(shù)應(yīng)用比較成熟，自動(dòng)化機(jī)械手等設(shè)計(jì)也漸趨智能化。在當(dāng)前，國(guó)內(nèi)裝配技術(shù)自動(dòng)化水平與國(guó)際技術(shù)水平差距不斷縮小，但是在精準(zhǔn)控制和智能化控制方面仍然與國(guó)際前沿技術(shù)存在較大差距[3]。

1.2國(guó)際方面

與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展速度較快，早已實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化生產(chǎn)。在當(dāng)前，國(guó)外串焊設(shè)備、敷設(shè)設(shè)備和裝框設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，集成化水平較高。在部件生產(chǎn)和太陽(yáng)能電池組件裝配過(guò)程中，不僅可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且具有較高的控制精度。國(guó)外生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息采集和圖像識(shí)別，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)與現(xiàn)代化控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行有效控制，部件與太陽(yáng)能電池組件定位更加精準(zhǔn)，可高效率開(kāi)展抓取、裝配操作。

串焊自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行生產(chǎn)流程比較統(tǒng)一。在人工電池盒中裝載原料后，執(zhí)行電鋼頂升上料操作，進(jìn)行抓取機(jī)構(gòu)作業(yè)，抵達(dá)圖像檢測(cè)區(qū)域。完成電池片檢測(cè)，進(jìn)行部件定位，通過(guò)機(jī)械手分離廢料單獨(dú)處理，正常部件部分由設(shè)備進(jìn)行校正操作。抓取電池片，使其抵達(dá)焊接區(qū)域，串焊處理電池片。向下料傳輸線傳輸處理過(guò)的電池片并下料。完成準(zhǔn)備焊帶操作，準(zhǔn)備助焊劑，在焊帶中涂刷助焊劑然后進(jìn)行烘干處理，折彎和剪切處理焊帶，再進(jìn)行串焊等操作。

美國(guó)與西班牙在自動(dòng)化裝配方面均產(chǎn)生顯著成效。以美國(guó)為例，該國(guó)企業(yè)早已研發(fā)成功自動(dòng)串焊設(shè)備，其中Xcell X2口碑較好。該設(shè)備所用智能機(jī)器人為4自由度水平，同時(shí)可高精度檢測(cè)和識(shí)別圖像信息。該設(shè)備使用電磁焊接技術(shù)進(jìn)行串聯(lián)焊接。西班牙企業(yè)研發(fā)的自動(dòng)焊接設(shè)備型號(hào)為SL-200，所用機(jī)器人自由度6，同樣采用高精度圖像識(shí)別檢測(cè)。在該設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)中，使用紅外線焊接技術(shù)執(zhí)行焊接操作。

2自動(dòng)化裝配技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)

2.1自動(dòng)化裝配流程

太陽(yáng)能電池組件裝配過(guò)程應(yīng)遵循嚴(yán)格流程，實(shí)施規(guī)范操作。在裝配操作前，首先應(yīng)檢驗(yàn)電池質(zhì)量，分析其是否符合裝配標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)無(wú)誤，進(jìn)入串聯(lián)焊接環(huán)節(jié)，然后再行檢驗(yàn)電池，避免出現(xiàn)網(wǎng)狀隱裂，保證焊接質(zhì)量良好。進(jìn)行敷設(shè)作業(yè)，層壓處理部件，精細(xì)化處理，清除部件毛邊，保證邊緣光滑。裝設(shè)金屬邊框，然后將接線盒焊接于太陽(yáng)能電池組件中。進(jìn)行高壓測(cè)試，檢驗(yàn)太陽(yáng)能電池組件質(zhì)量。其次進(jìn)行太陽(yáng)能電池組件測(cè)試，檢驗(yàn)太陽(yáng)能電池組件外觀狀態(tài)，通過(guò)全部檢驗(yàn)，符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，包裝太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)品，裝載入庫(kù)，規(guī)范存放。分析上述工序，可見(jiàn)太陽(yáng)能電池組件需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)節(jié)才能裝配完成。依賴人工執(zhí)行上述裝配操作，不僅工作壓力大，操作時(shí)間長(zhǎng)，而且裝配過(guò)程較易受到人工水平的影響，例如：工人責(zé)任意識(shí)、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和綜合專業(yè)素質(zhì)等，耗時(shí)也更長(zhǎng)。太陽(yáng)能電池組件實(shí)際用量較大，人工操作環(huán)節(jié)耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到工期要求。應(yīng)用自動(dòng)化裝配設(shè)備，通過(guò)技術(shù)手段應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，可顯著縮短工期，提高太陽(yáng)能電池組件封裝質(zhì)量，促進(jìn)太陽(yáng)能電池組件又好又快完成。總體封裝質(zhì)量評(píng)價(jià)顯示，自動(dòng)化裝配質(zhì)量比較平均，整體高于人工作業(yè)。相關(guān)研究顯示，在傳統(tǒng)作業(yè)時(shí)期，100 MW太陽(yáng)能電池組件焊接作業(yè)中每天需要人工200人，而采用自動(dòng)化焊接設(shè)備后，常規(guī)組件生產(chǎn)企業(yè)日常產(chǎn)量超過(guò)1GW，此種組件生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)人工焊接的10倍左右，顯著降低人工成本，促進(jìn)成本控制，對(duì)太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)企業(yè)而言顯著提高了利潤(rùn)空間，促進(jìn)企業(yè)盈利，縮短封裝工期，而且組件生產(chǎn)品質(zhì)可以得到更有效保證[4]。

2.2總裝配技術(shù)要點(diǎn)

單個(gè)太陽(yáng)能電池組件可構(gòu)成一個(gè)光伏電池方陣，也可同時(shí)使用多個(gè)太陽(yáng)能電池組件搭建電池方陣。當(dāng)電池方陣采用多太陽(yáng)能電池組件構(gòu)成模式時(shí)，在裝配過(guò)程中應(yīng)保證各太陽(yáng)能電池組件在電壓參數(shù)和電流參數(shù)方面無(wú)顯著差異，此種要求是為了降低串聯(lián)組合與并聯(lián)組合過(guò)程中產(chǎn)生的能量損失。在裝配太陽(yáng)能電池組件時(shí)，應(yīng)客觀分析太陽(yáng)能電池組件使用環(huán)境，確定太陽(yáng)能輻射質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)分析裝設(shè)太陽(yáng)能電池組件后負(fù)載情況，綜合上述情況明確電池方陣整體功率要求。以設(shè)計(jì)系統(tǒng)中電流和電壓參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選用合理數(shù)量太陽(yáng)能電池組件，通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成方陣。太陽(yáng)能電池組件方陣裝配中需要使用方陣支架，設(shè)計(jì)方陣結(jié)構(gòu)與支架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證太陽(yáng)能電池組件可穩(wěn)固連接支架，并且應(yīng)考慮到未來(lái)電池太陽(yáng)能電池組件更換需求，方陣結(jié)構(gòu)應(yīng)確保太陽(yáng)能電池組件更換具有可行性。常規(guī)情況下，該方陣和支架負(fù)載力應(yīng)可良好承受120 km/h風(fēng)力作用，而不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)力作用發(fā)生損壞，影響正常使用。該支架具有可調(diào)節(jié)性，呈現(xiàn)一定傾角，部分方陣采用固定安裝角度，通過(guò)此種設(shè)計(jì)，確保及時(shí)在日輻射量較差時(shí)期，太陽(yáng)能電池組件也可有效吸收太陽(yáng)能，具有較高發(fā)電量。緊固件應(yīng)具有較高強(qiáng)度，穩(wěn)定連接支架。屋頂安裝太陽(yáng)能方陣時(shí)，方陣支架連接建筑主體結(jié)構(gòu)，以保證穩(wěn)定性。地面安裝時(shí)，太陽(yáng)能電池組件應(yīng)與地面保持0.3 m以上間距。建設(shè)安裝基礎(chǔ)后，在基礎(chǔ)上固定連接立柱底部，從而提升承重量和風(fēng)力荷載量。

3自動(dòng)化裝配技術(shù)在太陽(yáng)能電池組件裝配中的未來(lái)應(yīng)用發(fā)展方向

太陽(yáng)能電池組件可將光能轉(zhuǎn)換為電能。在技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，太陽(yáng)能電池組件持續(xù)更新迭代，在太陽(yáng)能電池組件和玻璃規(guī)格、太陽(yáng)能電池組件功率、電池片數(shù)等方面發(fā)生眾多變化，太陽(yáng)能電池組件功率持續(xù)增長(zhǎng)，太陽(yáng)能電池組件、玻璃規(guī)格也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2017—2018年電池片數(shù)增長(zhǎng)，2020—2021年片數(shù)減少。綜合分析數(shù)據(jù)，裝配技術(shù)水平顯著提升 [5]。具體見(jiàn)表1。

結(jié)合太陽(yáng)能電池組件發(fā)展歷程可知，組件生產(chǎn)質(zhì)量總體處于持續(xù)優(yōu)化狀態(tài)，在技術(shù)發(fā)展影響下，太陽(yáng)能電池組件規(guī)格逐漸增大，受此影響電池功率顯著增高，而電池片數(shù)逐漸減少。為適應(yīng)未來(lái)太陽(yáng)能電池組件封裝高精度要求，必須深入研究自動(dòng)化裝配技術(shù)，提高封裝水平。在未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)構(gòu)建科學(xué)的封裝系統(tǒng)，促進(jìn)串聯(lián)焊接、敷設(shè)、裝邊框等實(shí)現(xiàn)一體化，提高集成化水平，增強(qiáng)自動(dòng)化成效。不僅如此，還應(yīng)促使封裝自動(dòng)化向智能化發(fā)展，科學(xué)應(yīng)用傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等，綜合多學(xué)科理論開(kāi)展技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建智能化、體系化、集成化封裝生產(chǎn)線，進(jìn)一步提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，完善產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，太陽(yáng)能電池組件是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應(yīng)用范圍較廣的能源生產(chǎn)設(shè)備，該類組件結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，分為單晶硅、多晶硅和非晶硅等類別。封裝質(zhì)量直接影響太陽(yáng)能電池組件功能狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外當(dāng)前自動(dòng)化封裝技術(shù)均比較先進(jìn)，而且持續(xù)快速發(fā)展，但國(guó)內(nèi)集成化和智能化水平較低。在未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)促進(jìn)物流轉(zhuǎn)換自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)自動(dòng)化封裝系統(tǒng)集成，提升裝配智能性和人性化。

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