經(jīng)濟(jì)型太陽電池組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)

■ 張亮 竇建培 石磊

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；3秦皇島新禹機(jī)械設(shè)備有限公司)

一 引言

太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域中繼風(fēng)力發(fā)電之后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的領(lǐng)域。太陽電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，一般采用層壓的封裝形式[1]，而國產(chǎn)太陽電池組件封裝設(shè)備性能和配套性同國外有很大的差距[2,3]，太陽電池組件生產(chǎn)設(shè)備已成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為降低組件玻璃碎片率，提高組件的封裝效率和封裝效果，課題組結(jié)合太陽電池的封裝層壓工藝過程，研制出一種與太陽電池組件封裝新工藝相適合的適合小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)型太陽電池組件層壓機(jī)，使其能滿足太陽電池組件的封裝要求。

二 太陽電池組件層壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽電池組件層壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本層壓機(jī)能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、加壓和保溫功能。下室加熱系統(tǒng)采用碳素加熱板進(jìn)行加熱，不銹鋼板傳導(dǎo)熱量，保溫棉防止熱量散失，下室加熱采用S7-1200及功率控制器(固態(tài)繼電器)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并使用適合本設(shè)備的專家PID控制算法實(shí)現(xiàn)智能控制加熱溫度。

三 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽電池組件層壓機(jī)的加熱系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)。加熱系統(tǒng)包括加熱板、加熱器、鉑電阻溫度傳感器、熱油泵、膨脹油箱、加熱功率控制器、進(jìn)出口閥和過濾器等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此加熱系統(tǒng)由熱油泵進(jìn)行油的傳送，將工質(zhì)油送到加熱板；由加熱器進(jìn)行加熱，加熱器分為兩組：主加熱和副加熱，兩組并聯(lián)使用，利用加熱功率控制器控制；加熱板內(nèi)設(shè)有蛇形管路，可實(shí)現(xiàn)工質(zhì)油在加熱板與加熱器間的循環(huán)流動(dòng)。在加熱器的上部設(shè)有膨脹油箱，用來實(shí)現(xiàn)油的供給并存儲(chǔ)受熱膨脹而溢出的工質(zhì)油。在加熱器的進(jìn)出油路上與加熱板上均設(shè)有鉑電阻溫度傳感器，用于溫度的實(shí)時(shí)檢測。

太陽電池組件層壓機(jī)的加熱系統(tǒng)由加熱功率控制器3、4分別控制加熱器2的主加熱與副加熱對(duì)工質(zhì)油進(jìn)行加熱，利用熱油泵1將油送到加熱板11，通過蛇形管路使油流回加熱器。在加熱器的上方布置一個(gè)膨脹油箱7，用來盛放工質(zhì)油，膨脹油箱上裝有液位計(jì)8。在加熱器進(jìn)出油口設(shè)有溫度傳感器5、6，出油口裝有出口閥10，進(jìn)油口裝有進(jìn)口閥14和過濾器15。

當(dāng)層壓機(jī)工作時(shí)，首先接通電源啟動(dòng)熱油泵1，油壓達(dá)0.4MPa再接通電源。通過控制加熱器2的主加熱與副加熱同時(shí)工作來對(duì)工質(zhì)油進(jìn)行加熱；溫度傳感器5、6檢測加熱器的進(jìn)出口溫度，傳感器12、13檢測加熱板溫度，可實(shí)時(shí)檢測。熱油流經(jīng)加熱板內(nèi)蛇形管路，對(duì)加熱板進(jìn)行加熱，然后流回膨脹油箱與熱油泵，循環(huán)加熱；當(dāng)加熱溫度升高到一定值(接近工作溫度)后，通過控制關(guān)閉加熱器主加熱，利用副加熱繼續(xù)加熱，以節(jié)約能源；等到工作臺(tái)溫度達(dá)到層壓工藝所需溫度時(shí)可開始層壓工作。

四 液壓開蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓開蓋系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、換向閥、平衡閥、雙單向節(jié)流閥、蓄能器及液壓缸等組成，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。所加平衡閥使液壓缸的速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，并可防止管路損壞或制動(dòng)失靈時(shí)重物自由降落，從而避免事故。

五 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 控制系統(tǒng)的硬件選型

為保證設(shè)備的硬件可靠性，采用西門子S7-1200 PLC及輸入輸出模塊、溫度/壓力傳感器以及強(qiáng)電執(zhí)行部分等組成?？刂破鳒囟葴y量傳感器選用Pt100鉑電阻，通過Pt100電阻溫度變送器把電阻值變成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度的控制和顯示。設(shè)備的真空度檢測單元選用基恩士AP-C30C系列數(shù)字壓力傳感器對(duì)真空壓力檢測，能夠顯示以預(yù)先設(shè)定好的基準(zhǔn)壓為中心的±20% 范圍內(nèi)的壓力，分辨率達(dá)到同級(jí)產(chǎn)品中最佳的0.01kPa。

2 軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化思想對(duì)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，分為若干功能塊，即傳感器采樣模塊、控制設(shè)備輸出模塊、人機(jī)交互模塊。設(shè)備采用觸摸屏控制，設(shè)備工作方式分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作方式，參數(shù)設(shè)定直觀、靈活，正常工作時(shí)可自動(dòng)運(yùn)行，效率高、穩(wěn)定性好；調(diào)試或其他情況需要時(shí)可單步手動(dòng)操作，操作簡便靈活，符合工業(yè)自動(dòng)化控制標(biāo)準(zhǔn)。

(1)系統(tǒng)主流程

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)與測試確定了太陽能電池組件的層壓封裝工藝，并且開發(fā)了控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，再經(jīng)過多次軟件測試和修改，現(xiàn)能可靠地完成各項(xiàng)自動(dòng)和手動(dòng)層壓操作，控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

(2)程序運(yùn)行界面

圖5為開啟界面顯示，通過上邊的各個(gè)按鈕可進(jìn)入所需界面。從圖6可知界面設(shè)置層壓各過程的參數(shù)值及參數(shù)的剩余值。

六 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的太陽電池組件層壓機(jī)集預(yù)熱、加壓和保溫功能等于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低。

(2)層壓板面積為1500mm×850mm，整機(jī)的功率為25kW，加熱部分的額定功率為18kW，溫度調(diào)節(jié)范圍為30～180℃，加熱板溫度均勻性為±1.0℃，滿足太陽電池組件的封裝工藝要求。

(3)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠。

[1]吳恩啟, 杜寶江, 張輝輝, 等.太陽能電池層壓機(jī)的有限元分析與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008, (7):72－74.

[2]石磊, 夏金強(qiáng), 趙國, 等.基于PROE的太陽電池組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)[J].太陽能，2008, (10):24－26.

[3]石磊, 陳立東, 馬淑英, 等.太陽能電池組件層壓機(jī)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 23(4): 32－35.

[4]張敏.層壓機(jī)溫度的現(xiàn)場測量與調(diào)整[J].計(jì)量技術(shù), 2003, (9):30－32.

[5]趙清林, 顧和榮, 張純江.太陽能電池層壓機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2002, (4):33－35.

[6]M.A.Slonim, A.A.Slonim.Transient processes in different types of solar cell panels[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006,90(15): 2542－2548

[7]張耀明.中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景[J].能源研究與利用, 2007, (1):1－6.

[8]M.J.Clifford, D.Eastwood.Design of a novel passive solar tracker[J].Solar Energy, 2004, 77 (3):269－280.