降低光伏組件生產(chǎn)損耗的研究

隨著煤炭、石油等資源的日益枯竭，環(huán)境也在日益惡化，尋求新能源取代化石能源已成為歷史的必然。光伏發(fā)電以其無污染、能源廣、無地域限制等巨大優(yōu)勢，在新的歷史需求下脫穎而出，引起人們的廣泛關(guān)注。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分是光伏組件，其作用是吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，有的電能被送往蓄電池進(jìn)行儲存，有的電能則被直接使用。

電池片作為光伏組件的基本發(fā)電源，由于單片電池片在接受陽光照射時，產(chǎn)生的電流和電壓很小，不能滿足使用要求，因此需要將電池片串、并聯(lián)焊接起來，經(jīng)過嚴(yán)密封裝，做成組件。通常，組件的規(guī)格有6×10（寬6片電池片，長10片）、6×12等。光伏組件的生產(chǎn)工序主要包括：電池片焊接、電池串敷設(shè)、組件層壓、裝框、功率測試；所涉及的原輔材料多達(dá)十余種，主要為：電池片、焊帶、匯流條、鋼化玻璃、乙烯-乙烯醋酸酯共聚物（EVA）、背板、鋁邊框、接線盒、硅膠等。其中，電池片作為光伏組件生產(chǎn)中最基本的原材料，不但價格昂貴，而且最易損壞。降低電池片損失，提高電池片利用率，成為降低光伏組件生產(chǎn)成本的有效措施。

電池片的損失包括原損和工損2方面，原損、工損一般以是否焊接為界限，焊接前發(fā)現(xiàn)的不可用電池片稱之為原損，焊接后的稱為工損。尋找影響電池片原損、工損的因素，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，減少電池片損失，是光伏行業(yè)努力的方向。本文就光伏組件生產(chǎn)中電池片損耗的因素，分別從原損和工損2個方面進(jìn)行探討。

一、原損的影響因素

電池片的原損主要包括2方面，一方面是由于電池片外觀不合格而不允許投產(chǎn)，比如：臟污、色差、漏漿、柵線不良、背場不良、氧化、崩邊、燒結(jié)不良等，統(tǒng)稱之為“外觀不良”；另一方面是指由于電池片破損而不能投產(chǎn)，稱之為“碎片”，碎片包含小缺角、裂片、隱裂。影響原損的因素主要有以下2點(diǎn)。

1.片源等級

通常情況下，電池片等級分為A級片、B級片、C級片。A級片是指按照電池片檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（通常按照國家標(biāo)準(zhǔn)，有時應(yīng)客戶要求有略微差異）檢驗(yàn)出的合格片，是光伏組件生產(chǎn)的首選片源，也是市場上交易的主要片源。B級片外觀較A級片要求略低，比如：單片允許有輕微顏色差異、輕微滾輪印、輕微線痕、輕微柵線缺失等，這些瑕疵不允許出現(xiàn)的A級片中，但由于問題較小，不影響電池片整體外觀；同時，與A級片相比價格較低，在市場上也得到一定關(guān)注。低于B級片要求的統(tǒng)歸為C級片，C級片一般不采用。由于B級片在外觀上較A級片本身存在差距，所以，組件生產(chǎn)過程中，B級片原損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A級片。

圖1是筆者所在公司2015年4-8月份A級片、B級片外觀不良率折線圖，可以看出，A級片外觀不良率平均值為0.067%，B級片外觀不良率平均值為1.582%，B級片外觀不良率高于A級片1.5%。圖2是該時間段A級片、B級片碎片率折線圖，可以看出，A級片碎片率平均值為0.547%，B級片碎片率平均值為1.540%，B級片碎片率高于A級片1.0%。無論是外觀不良率，還是碎片率，A級片都遠(yuǎn)低于B級片，因此，選用A級片是降低原損的主要途徑。

2.二次分選與否

根據(jù)電池片外觀顏色的不同，A級片通常由淺藍(lán)到深藍(lán)分為A1、A1+、A2、A3四類。然而，由于對顏色辨識或要求上存在個體差異，為避免生產(chǎn)出“色差組件”，生產(chǎn)過程中，有時會對A級片進(jìn)行重新分選，將顏色細(xì)分為6類或者更多。電池片是極薄易碎的物品，再次進(jìn)行人工分選，勢必增大電池片“碎片率”。事實(shí)上，合格供應(yīng)商提供的A級電池片無論在顏色還是其它外觀要求上，可以完全滿足直接上線要求。另一方面，因?yàn)榉诌x人員個體差異，再次分選可能會將電池片的一些缺陷放大，通俗講，就是“過于嚴(yán)格”，把可以投用的電池片攔截下來，增大外觀不良率。例如，圖2A級片碎片率折線圖中，4-6月份采用“先分選、再上線”的方式，7、8月份采用“不分選、直接上線”的方式，可以看出，7、8月份A級片碎片率（平均值）由0.695%降至0.324%。放眼市場光伏企業(yè)，A級電池片“不分選、直接上線”做法已很成熟。

因此，對于合格供貨商，盡量采取“不二次分選，直接上線”的做法，可避免電池片破裂，降低碎片率，減少原損率。

二、工損的影響因素

在電池片焊接、電池串敷設(shè)、組件層壓、裝框、功率測試的任何一個環(huán)節(jié)，都可能會出現(xiàn)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)電池片某種異常而需要進(jìn)行更換、返工的現(xiàn)象。異常越多、發(fā)現(xiàn)的越晚，造成的工損和返工的難度也越大，帶來的損失除了電池片之外，還有其他材料損失。因此，找準(zhǔn)影響電池片工損的因素，及早發(fā)現(xiàn)異常，是降低損失的最佳途徑。電池片工損集中出現(xiàn)在焊接工序，表現(xiàn)形式主要為電池片破裂。引起焊接工序電池片破裂的因素多種，有焊接方式的因素，也有工藝、材料、環(huán)境、人工等因素。

1.焊接方式

電池片焊接分為手工焊接和自動焊接2種。手工焊接首先將電池片從盒中取出，放到焊接臺進(jìn)行單焊，然后將單焊好的電池放回暫存區(qū)，最后再將單焊好的電池片放至串焊臺進(jìn)行串焊，整個過程電池片被移動了3次，電池片移動的次數(shù)越多，破碎的幾率就越大。同時，正面焊接時，由于電池兩面的應(yīng)力不同，會導(dǎo)致電池片彎曲變形；背面串焊時，電池片同樣會再一次彎曲變形。受熱變形2次，大大增加了發(fā)生隱裂的機(jī)率。

自動焊接首先用機(jī)械手將電池送入設(shè)備內(nèi)執(zhí)行定位測試，然后將電池和焊帶進(jìn)行預(yù)裝配，最后將電池的正面和背面同步焊接，使單焊和串焊工序合二為一。與手工焊接相比，自動焊接對不但降低了電池片的操作次數(shù)，而且實(shí)現(xiàn)了單焊、串焊的同步進(jìn)行。另一方面，自動焊接時機(jī)械手對電池片施加的機(jī)械力是穩(wěn)定可控的，同時可以進(jìn)行均勻、可控的溫度處理。

相比之下，手工焊接時，手指和烙鐵將焊帶在電池片的主柵線上對齊并施加一定的力，這些力在常規(guī)下能夠得到良好控制，當(dāng)操作員缺乏經(jīng)驗(yàn)或身體精神狀態(tài)不佳時，不僅焊接效果會大打折扣，還可能導(dǎo)致電池片破裂。同時由于人工不可能在350℃左右的溫度下接觸電池片，電池片與焊接溫度溫差大也是必然存在的，也會增加裂片的機(jī)率。這也是手工焊接工藝的局限性。目前，國內(nèi)光伏行業(yè)采用的自動焊接機(jī)有瑞士庫邁思（Komax）公司的Xcell-X2、西班牙格羅薩伯（Gorosabel）集團(tuán)的 SL200、德國帝目（Team Technik）公司的TT1200和SOMONT公司的Stringer1200，其他國外自動焊接機(jī)有意大利的2BG、日本的外山和NPC。國內(nèi)自動焊接機(jī)的主要供應(yīng)商有無錫斯威克科技有限公司、天津必利憂科技發(fā)展有限公司、寧夏小牛自動化設(shè)備有限公司、石家莊冀展新能源設(shè)備有限公司。另外，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)器人及自動化研究所為江蘇愛動力自動化設(shè)備有限公司研發(fā)了一套太陽能電池高速焊接系統(tǒng)SPLW2400。

電池片極薄易碎的固有特性決定了對電池片的運(yùn)輸、接觸次數(shù)越多，不確定因素越大，電池片破碎的機(jī)率也就越大。自動焊接將電池片的操作次數(shù)降至最低、消除了手動工藝存在的變數(shù)，減少了電池片碎片率。行業(yè)內(nèi)采用自動焊接方式，A級片碎片率在0.3%以內(nèi)。因此，引進(jìn)全自動焊接設(shè)備，采用自動焊接工藝，是該行業(yè)今后努力的方向。

2.材料、工藝、環(huán)境的因素

除了焊接方式外，電池片的種類、焊接的材料、工藝及環(huán)境因素都會影響到電池片的工損。單晶電池片較多晶電池片易碎，這是由電池片本身的性質(zhì)決定的；焊帶軟硬度要得當(dāng)，在焊帶滿足抗伸強(qiáng)度與延伸率的前提下，手工焊接要求焊帶的狀態(tài)越軟越好，軟態(tài)的焊帶在烙鐵頭走過之后會很好地和電池片接觸在一起，焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力很小，可以降低碎片率。焊接溫度要適中，溫度偏低時，會形成虛焊；而溫度偏高，又會使電池片由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致隱裂和碎片的產(chǎn)生。

王慧對電池片焊接過程的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，焊接時溫度分布不均勻是造成熱變形和應(yīng)力的主要原因。一方面，通過改進(jìn)太陽能電池自動焊接機(jī)設(shè)備，焊接單元采用軟接觸電加熱焊接技術(shù)，在成品輸送裝置上增加電加熱模塊來對成品電池片進(jìn)行階梯冷卻，可以有效防止微紋裂和破片的產(chǎn)生。另一方面，通過增加預(yù)熱環(huán)節(jié)，選擇合適的焊接溫度、焊帶型號，可有效降低熱變形和應(yīng)力，進(jìn)而降低碎片率和電池片焊接后的彎曲度。研究結(jié)果顯示，焊接系統(tǒng)的預(yù)熱溫度在130～140℃、焊接溫度選擇230℃、焊帶規(guī)格為2mm×0.25mm時比較合適，采用改進(jìn)后焊機(jī)設(shè)備的碎片率小于0.25%，達(dá)到了行業(yè)碎片率低于0.3%的標(biāo)準(zhǔn)，這些措施使光伏電池片焊接的品質(zhì)得到了提升。

3.人工因素

無論手工焊接，還是自動焊接，人為因素都是存在的。對于手工焊接，員工應(yīng)保持焊接桌面清潔，當(dāng)桌面上殘留碎電池渣、錫珠、錫渣等時，用力焊接，會造成電池片破裂；員工焊接時，用力、速度都要適中，用力太小、速度太快，會造成虛焊；但用力過大，速度太慢，會導(dǎo)致電池片破裂[1]；員工手法要正確，不恰當(dāng)?shù)氖址ㄉ踔習(xí)?dǎo)致大量電池片損壞；除此之外，人員的注意力，甚至心理狀態(tài)都會影響到工損情況。自動焊接受人的因素影響較小、焊接質(zhì)量相對穩(wěn)定，但需要操作人員定期上下料，熟練操作機(jī)臺設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，盡量減少由于人為因素帶來的損失。

此外，電池串敷設(shè)過程是一個對電池片再次查看的過程，此過程可以將不合格電池片替換出來。電池串敷設(shè)與層壓之間有一個紅外缺陷（EL）測試環(huán)節(jié)，通過EL測試，可以將黑片、暗片、裂紋的電池片檢查出來。如人為疏忽，不對此過程認(rèn)真查看，造成不合格電池片流轉(zhuǎn)到層壓之后，造成的返工代價極為昂貴，因此，需要認(rèn)真排查敷設(shè)和EL測試工序。敷設(shè)過程由于人為因素，也可能導(dǎo)致電池片裂片。為了降低工損率，一些企業(yè)會將EL測試測出的黑片、暗片歸到原損率中（這部分損失是電池片本身存在的）。

為了保證光伏組件生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的高質(zhì)量，需要不斷給新手提供工作培訓(xùn)的機(jī)會，傳授生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在降低成本的同時確保品質(zhì)的穩(wěn)定，這是進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低光伏組件制造成本的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

光伏企業(yè)的發(fā)展壯大，離不開成本把控。電池片作為光伏組件生產(chǎn)的主要材料，其成本占據(jù)主要部分，降低電池片損耗、提高電池片使用率是成本把控的主要途經(jīng)?？偟膩碚f，電池片片源越好、人與電池片接觸的機(jī)會越少、采用更優(yōu)良的自動焊接設(shè)備、員工操作越標(biāo)準(zhǔn)、責(zé)任心越強(qiáng)，光伏組件生產(chǎn)中電池片的原損、工損就會越少，光伏企業(yè)的成本就會降低。

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