光伏组件生产设备
光伏组件生产设备
切割设备
光伏行业用切割设备主要有金刚石切割设备和激光划片机，由于激光切割的效率更高，现在许多工厂都采用激光划片机来切割太阳电池和硅片。本节主要介绍激光划片机的原理、设备组成以及关键工艺等。
激光划片原理
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点，激光束通过聚焦后，在焦点处可产生数千摄氏度的高温，几乎能加工所有的材料。激光划片就是把激光束聚焦在硅、锗、砷等材料的表面，通过高温，使材料表面熔化蒸发而形成沟槽，因为在沟槽处会形成应力集中，所以沿沟槽很容易将材料整齐断开。激光划片为非接触加工，因此用激光对晶体硅太阳电池进行划片能较好地防止损伤和污染，提高划片的成品率。
设备简介
激光划片机一般由激光晶体、电源**、****、光学扫描**、聚焦**、真空泵、控制**、工作台、计算机等组成，如图4-1所示。控制台上有电源、真空泵、**水开关按钮及电流调节按钮等，工作台面上有气孔，气孔与真空泵相连，打开真空泵后太阳电池就被吸附固定在控制台上，切割过程中不易产生位移。
使用划片机切割电池时，先打开激光划片机及与之相配的计算机，将要切割的太阳电池正面朝下放在切割台上，并摆好位置，然后打开计算机中的相关软件，根据所需电池的尺寸设计线路之后，输入 X 轴与Y轴方向的行进距离，预览确定路线后，调节至合适的电流进行切割。
切割关键工艺控制点
为保证电池在切割过程中的损失程度最小，并且保证不影响后序组件良率，切割过程中需要把握好以下几个关键工艺控制点∶
（1）切片方向 通常从电池背面切割，避免正面切穿 p-n结，导致电池正负极短路
（2）对位精度 根据所切电池尺寸来定，通常156mm×156mm电池对半切的对位精度需要小于0.2mm
（3）切割深度 切割深度通常控制在电池厚度的60%左右，在设备上主要通过调节激光功率和激光划片速度参数来控制切割深度；
（4）切边平整度 应确保电池紧贴工作面板，激光头应聚焦良好，以保证切边的平整度，避免出现V型缺角等**，减少隐裂、破片问题的发生；
（5）切片破片率 从上料、划片、掰片到下料，每个*作都可能会引起破片，因此要控制好各个步骤的良率；
（6）产能 在保证切片质量的前提下，通过调节激光功率和划片速度来控制划片产能。
此外，在*作切割机时，需要注意以下几个问题∶
（1）切片时，需根据所切电池的尺寸、厚度、翘曲度以及产能需求等来选择合适的划片参数，尤其需要注意激光功率和划片速度的设置。激光输出功率大，激光束能量强，可以将电池直接划断，但这样容易造成电池正负极短路。反之，功率输出小，则切割深度不够，在沿着划痕将电池掰开时，容易将电池掰碎。在激光功率恒定时，激光切片速度过慢，切割深度会增加，而且长时间高温对电池损伤较大∶但如果切割速度过快，会导致划痕较浅，电池容易被掰碎；
（2）激光束行进路线是通过计算机设置确定的，设置坐标时，一个微小的差错都会使激光束路线完全改变。因此，在切割电池前，可以先使用小功率光束沿设定的路线走一遍，确认路线正确后，再调大激光功率进行切片；
（3）一般来说，激光划片机只能沿 X 轴与Y轴方向进行切割，切方形电池比较方便。当要求将太阳电池切成三角形等形状时，切割前一定要计算好角度，通过改变电池放置的方位，使需要切割的线路沿X或Y方向；
（4）在切割不同的太阳电池时，如果两种电池厚度差别较大，在调整激光功率的同时，需注意调整激光束的焦距
（5）切割时应打开真空泵，使电池紧贴固定在工作面板上，否则会导致切割不均匀
（6）切割之后要定期对设备进行除尘处理，尤其是激光头、负压吸嘴通路和吸盘通路，否则灰尘的存在或电池吸附不平容易引起激光头失焦，造成划痕深浅不一，切口呈锯齿状。
采用皮秒级激光可以有效提高激光划片的良率和切口质量。为了尽可能降低激光对太阳电池的损伤，现在有的设备把激光的脉冲宽度从纳秒级升级为皮秒级，目前业内已经开始用皮秒级激光进行PERC电池背面开槽和MWT电池激光钻孔。
玻璃清洗机
玻璃的清洁度对组件的层压效果和组件的长期可靠性有重要影响，因此在组件叠层前应根据需要对玻璃进行清洗，清洗设备一般采用玻璃生产制造业常用的玻璃清洗机。目前玻璃供应商一般会在包装之前进行清洗，如果存放期超过3个月，则使用之前通常需要重新清洗。玻璃清洗机的清洗方式有刷盘清洗、水过滤清洗和***清洗等。
图4-2所示的玻璃清洗机用于清洗1.5～12mm厚的平板玻璃，为水平卧式结构，采用刷盘清洗方式。通常将平板玻璃放置在进料段的传送辊上，经过清洗段、干燥段后到达出料段（附架），即可得到干燥洁净的玻璃。
清洗干燥段的传送机构可根据玻璃的厚度自动调节夹送胶辊的距离，动作灵活可靠。清洗部分采用齿轮、链条结合的传动方式，并配置相当数量的清洁毛刷与吸水海绵棒，以确保洁净程度。清洁毛刷与吸水海绵的位置可根据玻璃的厚度上下调节，以便可以在适当的位置上将玻璃清洗完毕。干燥段采用特殊的海绵辊吸水，用于烘干的空气从风机吹出后先经加热，然后再进入上下可调的风刀，均匀地吹向玻璃，使玻璃快速干燥。
使用时的注意事项如下
（1）注意保持水路清洁，定期清理。光伏玻璃清洗用水一般为去离子水，由于现在大批量使用镀膜玻璃，对玻璃镀膜前清洗用水的水质要求更高，因为镀膜玻璃表面的耐脏污程度不如非镀膜玻璃；
（2）如果玻璃表面不干燥，不能进入叠层和层压工序。
**设备
设备简介
**是组件封装工艺中的关键工序之一，**分为手工**和自动**。手工**采用的设备为恒温烙铁，一般温度设置为380～420℃。早期光伏行业基本上都是采用手工**，现在已经被逐渐淘汰，改为自动**，只有一些特殊的太阳电池才采用手工**。自动**设备（俗称自动串焊机，见图4-3）可以根据所设定的参数将电池片正反面同时自动连续**，一次性完成单焊和串焊，组成电池串。与手工**相比，自动**速度快，**质量可靠，一致性好，过程可监控，电池片翘曲小，破片率低，而且可以避免人为因素的影响，如手指印脏污、流转过程破片等。一台产能为1200片/小时的自动串焊机能替代约20名*作工。当然如果一旦出现****问题，往往是批量出现，因此自动**对设备稳定性要求极高。
在我国，自动串焊机一开始主要依靠进口，主要产品有德国的Technical Team （简称TT），日本外山机械的DF系列。现在国产自动串焊机大批涌现，包括先导、Autowell、小牛等。国产串焊机设备性价比很高，**不到国外设备的1/3，技术质量及售后服务可与国外设备相媲美。自动串焊机最关键的衡量指标为**破片率，国产设备在这项指标上能够做到优于进口设备，进口串焊机破片率一般小于0.25%，而国产设备能做到小于0.15%。
太阳电池**的主要加热方式有红外加热、电磁感应加热及热风加热等。德国TT、西班牙Gorosabel、国内无锡先导、奥维特以及天津利必优等公司均采用红外加热方式，而瑞士Komax、美国Xcell（Komax重组）、国内宁夏小牛等公司则采用电磁感应加热技术，Somont GmbH（被梅耶伯格收购）公司采用软接触电热棒加热，日本外山机械采用的则是热风加热技术。
设备工作流程
一台串焊机主要包括上料区、**区、出料区和焊带供给区。图4-4展示了串焊机完整的工艺流程。上料区的主要功能为电池上料、CCD检测等，**区的功能为电池加热、**、传送等，出料区的功能则主要是将焊好的电池串切断和传送到下一工位，焊带补给区的主要功能是互连条整理牵引、整理和切断，有的还包括助焊剂供给。
1.电池上料
电池盒装载位位于机器外部，不需要停机上料，*作者看到装载盒传输进设备后，就再放入另一盒电池至上料台，见图4-5。
2.电池上料和CCD检测
电池盒到达上料位后，上料机构将电池逐片抓取到CCD拍照平台拍照检测和定位。上料机构由顶升伺服、升降电缸（带吸盘）和横移伺服组成，并配有防止电池粘连的气刀，如图4-6所示。一般CCD检测采用300万以上像素的工业相机，见图4-7。主要功能如下∶
（1）**检测 可检测缺角、裂口、裂纹、栅线不平行等**，**等级（如裂口深度）可根据电脑中设定的标准进行自动判定；
（2）栅线定位 检测电池的中心及主栅线位置，与焊带进行匹配。
CCD将检测结果发送给机器人，机器人根据CCD传来的数据对电池进行精确抓取定位，将**电池放到**片盒，合格电池则抓取到输送带，并在抓取过程中根据CCD检测结果对电池进行微调，使主栅线对准焊带，定位精度可以达到0.01mm，有效避免主栅线**露白。3.施加助焊剂
一般助焊剂施加方式有喷涂和浸泡两种。喷涂方式一般是在机器人将太阳电池从拍照平台取出时，助焊剂喷涂机构将助焊剂喷涂在电池正反两面的栅线上，这个过程需要掌控好喷涂角度，否则会喷在主栅线和背电极范围之外，影响电池外观，有时会带来其他可靠性问题。浸泡方式是互连条从卷轴上拉出时，直接经过一个助焊剂浸泡盒，烘干后进行**。两种方式各有利弊，喷涂方式在调整及切换焊带规格后需要对喷涂的角度等进行调整；而对于浸泡方式，由于助焊剂具有腐蚀性，所以焊带经过的工装配件部位需要经常清洁保养，以防止被腐蚀。
4.互连条整理及牵引
互连条在卷轴上呈弯曲状态，因此首先需要将其拉直，然后进行切割，需要的时候可以进行一定程度的折弯，以匹配电池从正面折弯到背面的高度，防止破片和组件工作中的热胀冷缩带来的影响。互连条拉伸量可在电脑程序中设定，拉伸量过大和过小都会影响**性能，应根据焊带性能和经验设定拉伸量。折弯深度及位置一般用小的工装夹具控制，可以通过人工进行调整。焊带牵引机构将切割后的焊带夹取和定位到电池的主栅线上，焊带定位的精度主要通过焊带牵引机构的伺服电机、直线模组及导向机构来保证。
5.**区输送带
**区输送带如图4-8所示，一般采用特氟龙材质，它耐高温且不粘锡。为了减少温度变化在太阳电池内部引起的应力，**区输送带下方设置多块加热板，在**前对电池进行多段不同温度的预热，在**后也可使电池多段缓慢**。输送带由伺服电机驱动，步进精度较高。
6.加热和**
通过同时加热电池的正反两面，将互连条同时**在太阳电池的主栅线和背电极上，直接将电池**成串。除了传输带下面有加热板对电池背面进行预热，电池正面还通过红外或者热风进行加热，或者采用电磁加热。一般**底板温度精度约士5℃，红外灯管温度精度约±10℃。**台如图4-9所示。
7.分串机构
分串机构如图4-10所示，主要功能是将已焊好的电池串按照所需要的串联电池数量进行切断，并可以自动连续切断，切断与**同步进行，无需等待，一方面提高了单位时间产能，另一方面有效避免了电池串首尾片的焊带偏移。
8.出料区
出料区由输送带、下吸取机构、上吸取机构、横移机构、成品盒支架、废品盒支架组成。出料区可设置为检查模式或自动模式。在检查模式下，通过机侧按钮可将电池串翻转至设定的角度，方便人工检查；在自动模式下，每串电池串自动翻转，延时一定时间（一般留有5秒的检测时间）后放入成品盒。常用的自动串焊机的技术指标参考表4-1。
真空层压设备
组件封装主要依靠真空层压设备，即真空层压机实现。通过真空层压机在一定真空、温度、时间条件下的压力作用，组件叠层件中的粘接材料EVA胶膜可以将背板、太阳电池和玻璃粘接在一起，变成层压件，实现对电池的保护。
层压机简介和分类
层压机集真空技术、气压传动技术、PID温度控制技术于一体。其外形结构多种多样，图4-11所示是早期的半自动层压机，一次可以层压1块常规组件；图4-12所示是传动式层压机，一次可以层压3～4块常规组件。两种层压机工作原理基本一致，在控制台上可以设置层压温度、抽气时间、层压时间、充气时间，控制方式有自动与手动两种。
整套层压机包括进料台、控制柜、电脑显示屏、加热站、层压腔体（主机）和出料台。层压的主要过程在层压腔体内完成，其他机构都起到辅助作用。层压机腔体的内部结构主要包括上室、下室和热板。层压机的上盖内侧有个胶皮气囊，上室指的就是这个气囊和上盖板之间的腔体。上盖与热板之间的距离一般为15～30mm，周围有密封圈，上盖盖下后，形成一个密封的腔体，称为下室。底板为加热板，加热板上为由耐高温的聚四氟乙烯高温布做成的传输带。
层压机的加热方式和抽真空能力是影响层压效果的关键因素。层压机的加热方式一般有油加热、电加热和油电混合加热三种。油加热方式中，加热板一般采用一整块钢板，钢板中间打循环孔，让热油在热板内部循环，实现加热的功能；电加热一般采用分块加热的方式，例如一个尺寸大约3000mm×4000mm的热板，通常分为16～32个加热区域分别控制，从而实现整板加热。
油加热成本低，比较容易实现温度均匀，一般精度为士2℃，但需要一直使用油泵，并不断对油进行加热，同时油路需要维护，定期更换加热油；电加热成本较高，但是升温快，温度均匀性更好，精度通常能达到±1.5℃。现在高级的电加热方式还能实现局部温度补偿，如层压件在进入腔体后，在整个抽真空过程中玻璃会发生翘曲，使组件四个角落的EVA交联率偏低，因此可以将这四个角落的加热模块设定温度提高1～3℃，保证EVA的交联均匀性。电加热可缩短层压时间，提高产能。
早期有一种进口的顶针式层压机，在电加热板上安装了顶针结构，在刚开始加热的时候，可以将层压件顶出，不接触热板，而利用空气传热，实现组件叠层件的均匀受热和升温，这样有利于EVA均匀熔融，减小叠层件的初始变形，提高工艺良率，但这种加热方式工艺复杂、成本高，因此这种层压机没有得到继续发展。随着双玻组件的迅速发展，又出现了上下都可以加热的层压机，这种层压机的下腔室加热板不变，而在上盖板采用红外加热的方式对组件叠层件背面进行加热，能有效缩短层压时间，提高产能。
国产层压机最开始大多采用油加热方式，现在多采用电加热方式。层压机的真空度主要由真空泵控制，抽真空的方式有多种，如旋片泵和罗兹泵组合抽真空，更高级的有采用旋杆泵和罗兹泵组合实现抽真空。
层压机根据*作方式，又可分为手动层压机、半自动层压机和全自动层压机；根据腔体的热板大小，又可分为一压一（以常规60片电池串联成的270W组件为基础，一次层压一块组件）、一压三、一压四；根据工作腔个数，可以分为单腔层压机和双腔层压机。单腔层压机只有一个加热腔，层压一次完成；双腔层压机有前后两段加热腔体，可以实现两步层压，不但节约空间，还能提高产能，并且可以一段层压采用低温，以便较好地抽真空，避免产生气泡，二段层压采用高温，以达到快速交联的效果。另外层压机还可根据所压层数分为单层层压机和多层压机。图4-13所示为不同层压机结构图。
层压机的生产企业较多，国内厂家主要有秦皇岛奥瑞特、上海申科、秦皇岛博硕光电、秦皇岛瑞晶，国外主要有Meiya、3S、日清纺等。
层压机的工作过程
层压的时候需根据EVA的特性设定好热板温度，一般温度范围为135～150℃，抽真空和层压时间也需要根据不同EVA的特性进行调整，调整的原则为层压后组件没有气泡、电池破裂等现象，交联率合格，EVA与背板的剥离强度合格。
层压机的工作过程主要分以下四步
（1）入料 组件叠层件通过进料台传送带送进层压机加热板区域；
（2）抽真空加热 层压机迅速合盖，上、下腔室同时抽真空。上室抽真空是为了把硅胶毯吸附到上盖板上，防止硅胶毯压到叠层件。通常要求下室的抽气时间为4～6分钟，一般在20秒内下室真空度都会达到一20Pa以上，几乎处于完全真空状态，否则组件内部就会产生小气泡。在这个过程中层压件开始逐步加热升温，EVA开始熔融
（3）保压加热、交联固化 层压机上腔室开始充气，下腔室继续抽真空，上、下腔室间形成压力差，硅胶毯开始对叠层件施加压力，这个压力除了保证EVA和背板、玻璃的粘接强度，还能把EVA交联固化过程产生的气体排出。保压加热时
间一般为10～20分钟，整个过程下室保持真空、上室保持充气状态；
（4）出料** 待保压固化时间到达设定值以后，下室充气，上室抽真空，下室气压上升到大气压值后开盖，固化好的层压件传送到出料台进行自然**。
注意事项
在使用层压机过程中有以下事项需要注意∶
（1）层压机合盖时压力巨大，切记下腔室的边沿不能有其他物件，以防意外伤害或设备损毁
（2）开盖前必须检查下室充气是否完成，否则不能开盖，以免损坏设备；
（3）控制台上有紧急按钮，紧急情况下按下，可使整机断电。故障排除后，将紧急按钮复位
（4）层压机若长时间未使用，开机后应空机运转几个循环，以便将吸附在腔体内的残余气体及水蒸气抽尽，从而保证层压质量。
自动生产线
在光伏行业发展的初期，国内组件生产线上每个工序基本都是**的，每个工序的半成品件都需要人工搬运和流转，因此产品质量受很多人为因素的影响。虽然国外有自动流水线，但是**非常昂贵，因此几乎没有公司购买采用。这些年随着光伏行业的迅速发展，国内自动化、半自动化流水线得到了快速发展，以较高的性价比得到了广大组件企业的青睐和使用，大大提高了组件生产效率和产品质量。晶体硅光伏组件自动生产线见图4-14。
与传统的手工线比较，自动生产线的布局除了电池串矩阵敷设单元有明显不同外，其他生产设备大部分都是相同的，自动生产线主要增加了每个工站之间的流转轨道，实现了组件在整个生产过程的自动流转，同时用机器人或者机械手实现了每个设备的自动上料和下料，图4-15是自动化流水线现场。
全自动电池串矩阵敷设单元的自动排版工作站如图4-16所示，主要由玻璃归正输送单元、前EVA上料敷设机构、电池串吸附和摆放归正机构、汇流条摆放机构、汇流条和互连条自动**机构、后EVA和背板上料机构和检测机构组成，主要***件有伺服电机、步进电机、编码器、激光传感器、气动元件、光电传感器、变频器、PLC通信模组、I/O模块、电机减速机等。主要机械部件有框架结构、传动轴、传输带、吸盘组、横移模组、升降模组、导轨、机械手等。一般采用激光传感器边缘定位或CCD图像计算定位，将电池串根据生产工艺要求快速准确摆放到位，节拍间隔小于15秒/串，排版精度要求为小于士0.5mm，角度偏差低于士0.5度。
在实际应用中一般采用半自动化流水线进行排版和叠层，将整个叠层的工序分解成不同的工位，有的工位采用自动化*作，有的工位采用人工*作，人工*作一般只需进行一个非常简单的动作，从而大大提高了工作效率。采用半自动流转时，通常是在线下用设备把EVA和背板裁切好，玻璃在线上自动上料，然后敷设第一张EVA，电池串自动吸附和敷设，接着摆放和**汇流条，最后敷设EVA和背板，即整个过程的各个动作分解为流水线上的不同工序，实现高效合理的运转节奏。
自动化流水线有如下优点∶
（1）设备采用全自动化管理运行模式，自动排版，组件自动流转和在线清洗检测，自动打胶，自动测试，不需采用人工；
（2）采用流程化生产及准时化流转方案，节拍可以控制（一般小于50秒/件）。流水线各工作站实现数据集成、计算、分析、监控，品质可控及可量化；
（3）采用PLC主从站通信进行控制，能够单独控制每个工序；任何工序，只要存在堆积情况，**都能够自动判断，并对堆积产品进行变向分配流通，确保生产线的顺畅
（4）可以实现智能化和大数据管理，实时监控每个工段的产能和良率情况等。
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