新型太陽(yáng)能電池?zé)Y(jié)爐的研制

蔣誠(chéng)

摘 要：該文介紹了一款新型的太陽(yáng)能電池電極干燥及燒結(jié)爐。通過全新的爐內(nèi)氣流流場(chǎng)及排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少揮發(fā)性有機(jī)物在爐內(nèi)的積聚從而大幅 延長(zhǎng)保養(yǎng)周期。通過使用新型冷卻器大幅 增加冷卻斜率，增強(qiáng)冷卻效果，同時(shí)降低了制造成本。通過滾刷系統(tǒng)替代了超聲波系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳送網(wǎng)帶的實(shí)時(shí)清潔且降低了成本。通過取消爐室和冷卻系統(tǒng)的壓縮空氣，降低了設(shè)備的使用成本。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池 干燥爐 燒結(jié)爐 氣流流場(chǎng) 保養(yǎng)周期

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0016-03

1 背景介紹

隨著單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)作為后道工藝設(shè)備的干燥爐和燒結(jié)爐的要求也在變化。從公司市場(chǎng)部和銷售部的反饋信息來看，公司現(xiàn)有的干燥爐和燒結(jié)爐產(chǎn)品已經(jīng)越來越不能滿足市場(chǎng)的需要，最直接的反饋就是銷量的下滑。針對(duì)這樣的情況，公司急需對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代。為了更清楚地了解晶硅電池生產(chǎn)廠商對(duì)設(shè)備的要求，筆者作為公司設(shè)計(jì)部的代表和市場(chǎng)部的同事一同走訪了國(guó)內(nèi)主要的設(shè)備用戶。從客戶的反饋信息來看，對(duì)設(shè)備的改進(jìn)要求主要圍繞著提高產(chǎn)量上，具體來說體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）更高的網(wǎng)帶速度和更小的電池間距；（2）更長(zhǎng) 的設(shè)備保養(yǎng)周期；（3）出口處更低的電池表面溫度。

2 分析

2.1 網(wǎng)帶速度和電池間距

“提高網(wǎng)帶速度和減小電池間距”意味著對(duì)輻射加熱單元提出了更高的要求。設(shè)備原來的輻射加熱燈管在最大網(wǎng)帶速度下，已經(jīng)工作在滿功率的90%。更高的網(wǎng)帶速度和更小的電池片間距，需要增大輻射加熱燈管的功率。

2.2 保養(yǎng)周期

保養(yǎng)周期短是目前困擾晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠商的一大問題。對(duì)于生產(chǎn)廠商來說，保養(yǎng)主要要做以下幾方面的工作：（1）去除凝結(jié)和固化的揮發(fā)性有機(jī)物；（2）清潔網(wǎng)帶；（3）檢查輻射加熱燈管，如有必要?jiǎng)t進(jìn)行更換；（4）檢查支撐網(wǎng)帶的石英管/棒，對(duì)磨損嚴(yán)重的進(jìn)行更換。

影響保養(yǎng)周期的因素主要為前兩項(xiàng)，其中尤其以去除凝結(jié)/固化的揮發(fā)性有機(jī)物最為重要。在晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝中，正負(fù)電極和鋁背場(chǎng)是以絲網(wǎng)印刷的方式將銀漿料和鋁漿料印在處理過的晶硅片上，然后再進(jìn)入干燥爐和燒結(jié)爐中進(jìn)行干燥和電極的金屬化燒結(jié)。這種工藝就決定了在生產(chǎn)過程中會(huì)有大量的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）產(chǎn)生。揮發(fā)性有機(jī)物在遇到低溫光滑表面會(huì)發(fā)生凝結(jié)，因此，如不能及時(shí)將其 排放到設(shè)備外進(jìn)行無害化處理，揮發(fā)性有機(jī)物就會(huì)在設(shè)備內(nèi)積聚、凝結(jié)、甚至燃燒。根據(jù)干燥爐和燒結(jié)爐溫度設(shè)定的不同，氣化的揮發(fā)性有機(jī)物主要在干燥爐和燒結(jié)爐的初段產(chǎn)生，尤其以干燥爐中產(chǎn)生的量最大。圖1為目前市場(chǎng)上主流的干燥和燒結(jié)爐的爐室外形結(jié)構(gòu)布局，從布局圖中可以看出爐室中揮發(fā)性有機(jī)物的排放是通過位于爐頂 的氣體排放管將富含揮發(fā)性有機(jī)物的空氣排放到工廠的收集管道中。氣體排放管的結(jié)構(gòu)為文丘利管結(jié)構(gòu)，如圖2所示，壓縮空氣從細(xì)管入口進(jìn)入，從細(xì)管出口流出，由于壓縮空氣的壓力比較高，在細(xì)管 出口的高壓噴射氣流會(huì)在排氣管的進(jìn)口段形成負(fù)壓，從而將爐室內(nèi)富含揮發(fā)性有機(jī)物的空氣吸入排氣管內(nèi)隨壓縮空氣一道排入工廠的氣體收集通道內(nèi)。這種排氣管由于其工作原理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，有其先天的缺陷。當(dāng)爐內(nèi)的熱空氣在高壓氣流所產(chǎn)生的抽吸作用下流入氣體排放管，冷熱氣流會(huì)發(fā)生混合。熱空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物，在溫度降低時(shí)飽和濃度會(huì)降低，凝結(jié)的液滴和固體顆粒會(huì)附著在氣體排放管的內(nèi)表面及細(xì)管出口處。當(dāng)聚積在排放管內(nèi)表面時(shí)，會(huì)使氣流通道變窄，時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)造成氣體排放能力的嚴(yán)重下降。當(dāng)液態(tài)及固態(tài)的凝結(jié)物積聚在細(xì)管出口時(shí)，會(huì)造成出口的部分堵塞，造成壓縮空氣的流量降低，從而進(jìn)一步降低排氣管的排放能力。在這兩種現(xiàn)象共同作用下，爐室內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物不能及時(shí)排出，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)從爐室兩端的開口處逸出，形成“冒煙”現(xiàn)象。這種沒有經(jīng)過無害化處理的富含揮發(fā)性有機(jī)物的氣體會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境、危及人員健康。為避免這種現(xiàn)象，生產(chǎn)廠商不得不頻繁進(jìn)行排氣管的清理和保養(yǎng)工作，甚至每一到兩周就要進(jìn)行一次清理和保養(yǎng)。因?yàn)槊看伪ｐB(yǎng)都會(huì)造成整條生產(chǎn)線 的停工，頻繁地停工對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響不言而喻。因此，晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)廠商對(duì)延長(zhǎng)保養(yǎng)周期的呼聲十分強(qiáng)烈。另外，這種爐室結(jié)構(gòu)由于排氣管都位于加熱區(qū)頂部，在進(jìn)行爐室內(nèi)保養(yǎng)時(shí)需要拆掉排氣管才能進(jìn)行，這又加長(zhǎng)了每次保養(yǎng)所需的時(shí)間。

基于以上的分析，需要對(duì)爐室的排氣結(jié)構(gòu)及方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)爐室內(nèi)的氣流流場(chǎng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和布局，減少揮發(fā)性有機(jī)物的凝結(jié)和結(jié)晶，并使排氣管更不容易堵塞。

2.3 出口處的電池表面溫度

根據(jù)目前的晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝流程，當(dāng)電池片完成電極的金屬化過程后就要檢測(cè)電池效率。為方便后道的檢測(cè)，生產(chǎn)廠商普遍希望晶硅電池在離開燒結(jié)爐時(shí)的溫度要低至50 ℃左右。

目前冷卻器結(jié)構(gòu)是以壓縮空氣通入冷卻器內(nèi)部，通過位于上方和下方的水冷壁對(duì)空氣進(jìn)行降溫，低溫空氣再對(duì)傳輸網(wǎng)帶和晶硅電池片進(jìn)行冷卻。由于水冷壁對(duì)空氣的降溫以及空氣對(duì)晶硅電池的降溫要在冷卻器內(nèi)部按順序完成，加之網(wǎng)帶有較高的運(yùn)行速度，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)晶硅電池的冷卻效果就比較差。如不增加冷卻器長(zhǎng)度，只能實(shí)現(xiàn)65 ℃左右的出口溫度。如不更改現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，要想實(shí)現(xiàn)50 ℃左右的出口溫度，就要降低網(wǎng)帶運(yùn)行速度或者額外增加一個(gè)冷卻器。由于產(chǎn)量的需要，行業(yè)內(nèi)的趨勢(shì)是網(wǎng)帶速度越來越快，降低網(wǎng)帶運(yùn)行速度是不現(xiàn)實(shí)的。另一方面，由于目前冷卻器為鋁制機(jī)加工件，造價(jià)比較昂貴，增加冷卻器會(huì)大幅提高成本，這也是雙方需要避免的。另外由于現(xiàn)有冷卻器要使用壓縮空氣，使用者的使用成本也會(huì)比較高。因此，在能滿足冷卻效果的前提下，應(yīng)考慮循環(huán)使用冷卻空氣，以降低能耗，增加效益。

基于以上分析，需要設(shè)計(jì)一款不使用壓縮空氣并可循環(huán)利用冷卻空氣的新型冷卻系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)endprint

3.1 更高的網(wǎng)帶速度和更小的電池間距

這一要求從設(shè)計(jì)的角度來講主要考慮兩方面的問題：一是網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力；二是輻射加熱燈管的功率。網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率還有足夠的余量可以滿足要求，所以無需做任何變化。輻射加熱燈管的功率需要根據(jù)網(wǎng)帶速度增加的幅度和間距減小的幅度做同比例放大即可。

3.2 爐室排氣系統(tǒng)

根據(jù)前面的分析，需要對(duì)排氣結(jié)構(gòu)和方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。首先在結(jié)構(gòu)上，排氣通道的位置不要放在加熱區(qū)的正上方，要給加熱區(qū)打開爐室蓋子進(jìn)行保養(yǎng)留出空間。剩下的進(jìn)口緩沖區(qū)和出口緩沖區(qū)筆者認(rèn)為出口處更適合布置排氣通道，因?yàn)樵诔隹谖恢脫]發(fā)性有機(jī)物的濃度達(dá)到最大，排氣通道布置在這里更高效。其次，排氣通道的截面積要增大，以便防止堵塞。另外還要摒棄以往容易堵塞的文丘利管的結(jié)構(gòu)，采用更為高效的離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行排氣。基于以上的想法，筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的干燥爐爐室及排氣系統(tǒng)布局。

因?yàn)榕艢庀到y(tǒng)靠近爐室的出口，排氣風(fēng)機(jī)工作時(shí)是否會(huì)對(duì)位于遠(yuǎn)端的爐室進(jìn)口處的氣體產(chǎn)生足夠的拉動(dòng)就成了這一布局成敗的關(guān)鍵。因?yàn)槿绻麑?duì)遠(yuǎn)端的拉動(dòng)不足，那么含有揮發(fā)性有機(jī)物的氣體可能會(huì)從遠(yuǎn)端逸出，而不是從排氣管排出。為了檢驗(yàn)這一布局，筆者用Ansys軟件對(duì)室溫狀態(tài)下，排氣管內(nèi)截面平均流速為2 m/s的條件下爐室內(nèi)流場(chǎng)速度進(jìn)行了模擬。圖4為爐室縱向中央截面的速度矢量圖。由圖可以看出：出口處的氣流速度明顯高于進(jìn)口處的氣流速度；進(jìn)口處氣流速度低；進(jìn)口處第一加熱區(qū)氣流方向紊亂，氣體存在外逸的可能?？梢?，目前的結(jié)構(gòu)使排氣的效果不理想，需要進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方向?yàn)樵龃髿怏w從爐室進(jìn)口到出口的流通面積以達(dá)到減小氣體流動(dòng)阻力的目的。為此，筆者在加熱區(qū)之間的隔斷上部設(shè)計(jì)了高為2 cm的窗口并重新對(duì)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后流場(chǎng)速度分布比較均勻，爐室進(jìn)口和出口的速度差大為減小，進(jìn)口處氣體外逸的可能性小。

3.3 傳輸網(wǎng)帶清潔系統(tǒng)

對(duì)于傳輸網(wǎng)帶的清潔方式，筆者也做了改進(jìn)。改進(jìn)前網(wǎng)帶是以通過超聲波水箱的方式進(jìn)行清潔。因?yàn)榍鍧嵑缶W(wǎng)帶還帶有水，因此要利用爐室的加熱功能進(jìn)行烘干。這一清潔模式?jīng)Q定了在清潔網(wǎng)帶時(shí)不能進(jìn)行生產(chǎn)，很多太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠商對(duì)此意見很大，希望在清潔網(wǎng)帶時(shí)能夠不影響生產(chǎn)。針對(duì)這一需要，筆者設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易用且低成本的滾刷網(wǎng)帶清潔系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說，就是將滾刷以兩個(gè)軸承座固定在網(wǎng)帶下，軸的一端以鏈輪和鏈條連接在網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)輪上。當(dāng)網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到對(duì)網(wǎng)帶的實(shí)時(shí)清潔。相對(duì)于超聲波清洗，滾刷清潔既能做到實(shí)時(shí)清潔，不影響生產(chǎn)，又大幅降低了設(shè)備成本，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3.4 冷卻系統(tǒng)

基于前面的分析，筆者設(shè)計(jì)了鈑金結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)，其核心結(jié)構(gòu)為冷卻器本體，其外形結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩個(gè)空氣入口經(jīng)三通連接至離心風(fēng)機(jī)出口，空氣出口接至離心風(fēng)機(jī)入口。冷卻器本體的剖面圖如圖7所示。冷卻系統(tǒng)的工作原理為：來自離心風(fēng)機(jī)空氣經(jīng)冷卻器的兩個(gè)空氣入口進(jìn)入集氣室，集氣室的底部為孔板結(jié)構(gòu)，帶有一定壓力的空氣經(jīng)孔板上排列的小孔垂直吹在晶硅電池片和網(wǎng)帶上對(duì)其進(jìn)行降溫，換熱后的空氣在離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口的抽吸作用下經(jīng)翅片管換熱器冷卻后流回風(fēng)機(jī)進(jìn)行再循環(huán)。該冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是空氣循環(huán)利用，既不用壓縮空氣，也不用消耗室內(nèi)的空調(diào)氣，客戶的使用成本低。同時(shí)，鈑金結(jié)構(gòu)的本體同鋁制機(jī)加工的本體相比可節(jié)約成本50%以上，制造成本優(yōu)勢(shì)十分明顯。最重要的是，因?yàn)閹嚎諝馐谴怪贝翟诰Ч桦姵仄?，換熱系數(shù)高，冷卻效果好，實(shí)驗(yàn)證明其冷卻斜率在其它條件相同的情況下可達(dá)90 ℃/s，而改進(jìn)前的冷卻斜率只能達(dá)到50 ℃/s。在空氣進(jìn)口處還可壓力傳感器對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻斜率的調(diào)節(jié)。

4 驗(yàn)證及應(yīng)用

在樣機(jī)生產(chǎn)出來之后被放到上海某太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠的某條生產(chǎn)線上進(jìn)行了長(zhǎng)期的驗(yàn)證。事實(shí)證明，在3600片/小時(shí)的產(chǎn)量下，設(shè)備在兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，電池片的出口溫度穩(wěn)定在40 ℃。停機(jī)檢查時(shí)，只在排風(fēng)管頂部的風(fēng)機(jī)機(jī)箱內(nèi)有揮發(fā)性有機(jī)物的凝結(jié)和固態(tài)結(jié)晶，排氣管和爐室內(nèi)未見。保養(yǎng)周期從原來的兩個(gè)星期延長(zhǎng)到兩個(gè)月以上。在檢修時(shí)只需拆下清理風(fēng)機(jī)機(jī)箱即可，十分簡(jiǎn)單方便。由于取消了排氣和冷卻用的壓縮空氣，使用成本大幅降低。目前，該型設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用在英利太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中。

5 結(jié)論

該新型太陽(yáng)能電池?zé)Y(jié)爐的爐室排氣系統(tǒng)和網(wǎng)帶清潔系統(tǒng)可大幅延長(zhǎng)設(shè)備的保養(yǎng)/檢修周期；冷卻系統(tǒng)可大幅降低電池出口溫度，并可實(shí)現(xiàn)冷卻斜率的可調(diào)節(jié)性；新型的滾刷式網(wǎng)帶清潔系統(tǒng)相對(duì)于超聲波清潔系統(tǒng)有著巨大的成本優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭立，李克，劉良玉.晶體硅太陽(yáng)能電池?zé)Y(jié)工藝用爐體熱功率設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013（8）：21-25.

[2] 李秀杰，韓培德，楊毅彪，等.基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的高效太陽(yáng)能電池反射器研究[J].光子學(xué)報(bào)，2010（10）：1786-1789.

[3] 羅春明，何偉，周柯.晶硅太陽(yáng)能電池薄膜材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].絕緣材料，2012（3）：29-33.endprint