基于TRIZ理論的光伏組件焊接技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

郭清華，龔軍輝

(1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 太陽(yáng)能工程系，湖南 湘潭 411104；2．湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

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基于TRIZ理論的光伏組件焊接技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

郭清華1，龔軍輝2

(1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 太陽(yáng)能工程系，湖南 湘潭 411104；2．湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

摘要：TRIZ理論是一種解決發(fā)明問(wèn)題的理論，是一種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的方法論。在創(chuàng)新過(guò)程中，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成TRIZ問(wèn)題，借助TRIZ工具解決和改善現(xiàn)有產(chǎn)品中所存在的矛盾與不足。針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件焊接技術(shù)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的虛焊、裂片、錫絲及錫渣等問(wèn)題，將TRIZ理論引入光伏組件焊接技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析，基于TRIZ理論確定技術(shù)矛盾和物理矛盾，查閱TRIZ理論的矛盾矩陣，根據(jù)TRIZ理論提供的創(chuàng)新原理制定光伏組件焊接創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：光伏組件；焊接技術(shù)；TRIZ理論；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

近年來(lái)，光伏發(fā)電的發(fā)展速度非?？?，已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的行業(yè)之一。我國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，對(duì)太陽(yáng)能的開采具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此，光伏發(fā)電成為我國(guó)開發(fā)新能源的重要內(nèi)容。光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，它由許多太陽(yáng)能電池單元組成，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。目前，光伏組件的封裝工藝有真空玻璃封裝、滴膠封裝和EVA膠膜封裝等3種。由于EVA膠膜封裝方法簡(jiǎn)單易行、成本低，非常適合工業(yè)化生產(chǎn)，目前大部分的光伏組件生產(chǎn)都采用EVA膠膜封裝技術(shù)。EVA膠膜封裝工藝流程為：電池片分選→正面焊接→背面串焊→敷設(shè)疊層→中測(cè)→層壓→裝框→清洗→終測(cè)[1]。

在光伏組件的制造流程中，電池片的正面單焊和背面串焊的質(zhì)量非常重要。由于自動(dòng)化焊接的碎片率較高，故目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家主要使用手工焊接方法，手工焊接導(dǎo)致焊接不良的因素眾多，存在虛焊、裂片等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率下降；因此，迫切需要改進(jìn)當(dāng)前的焊接技術(shù)，提高光伏組件的質(zhì)量。

目前，創(chuàng)新理論及方法非常多，將近300種[2]，常用的有試錯(cuò)法、形態(tài)分析法、頭腦風(fēng)暴法和屬性列舉法等；但這些創(chuàng)新方法的過(guò)程具有很大的偶然性、隨機(jī)性和無(wú)序性，并且過(guò)多依賴于人的心理因素。相對(duì)于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ理論)具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在分析了數(shù)百萬(wàn)份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，而不是逃避矛盾。矛盾的解決方案不是采取折衷或者妥協(xié)的做法，而是完全解決矛盾，獲得最佳的答案。根據(jù)技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律，它研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程，是一種穩(wěn)定的程序化的創(chuàng)新行為，而不再是隨機(jī)的行為。

1TRIZ理論發(fā)展及框架

1.1TRIZ理論發(fā)展及解決問(wèn)題框架

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒(G. S. Altshuller)在1946年創(chuàng)立的，阿奇舒勒也被尊稱為TRIZ之父。以后的數(shù)十年中，阿奇舒勒將其畢生的精力致力于TRIZ理論的研究和完善。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，前蘇聯(lián)的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)組成了TRIZ研究團(tuán)體，分析了世界近250萬(wàn)份高水平的發(fā)明專利，總結(jié)出了各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立了一個(gè)由解決技術(shù)問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法和算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立了TRIZ理論體系。TRIZ理論解決問(wèn)題的基本流程是將待解決的研發(fā)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為TRIZ問(wèn)題模型后，就只需要按流程從建立的矛盾矩陣中查找相應(yīng)的解決方法，直至最終解決問(wèn)題。TRIZ理論解決問(wèn)題的一般過(guò)程如圖1所示[3]。

圖1　TRIZ理論解決問(wèn)題的一般過(guò)程

TRIZ理論的核心是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論，該理論指出技術(shù)系統(tǒng)一直處于進(jìn)化之中，解決沖突是進(jìn)化的推動(dòng)力。TRIZ理論認(rèn)為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品的進(jìn)化分為4個(gè)階段：嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期和退出期。光伏行業(yè)中的許多產(chǎn)品處于成長(zhǎng)期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其組成部分需要改善，存在許多的創(chuàng)新之處，光伏組件焊接技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為其中之一。

1.2矛盾矩陣

阿奇舒勒通過(guò)多年的研究、分析和比較，最終提出了沖突矩陣，也稱為矛盾矩陣。該矩陣描述了39個(gè)通用工程參數(shù)與40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見表1)，其中39個(gè)工程參數(shù)包括物體的質(zhì)量、體積、面積和長(zhǎng)度等物理量，也包括一些柔性的評(píng)價(jià)參數(shù)，如裝置的復(fù)雜性、監(jiān)控與測(cè)試的困難程度以及自動(dòng)化程度等。矩陣中的40個(gè)發(fā)明原理則是從對(duì)上百萬(wàn)件發(fā)明專利的分析研究中提煉總結(jié)出來(lái)的[4]，諸如：1.分割原理、2.分離原理、3.局部質(zhì)量原理、4.不對(duì)稱原理、37.熱膨脹原理、…、38.加速?gòu)?qiáng)氧化原理、39.惰性環(huán)境原理和40.復(fù)合材料原理，這些原理是TRIZ解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。

表1　矛盾矩陣

2TRIZ理論在光伏組件焊接技術(shù)中的應(yīng)用

2.1焊接過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

在光伏組件的制造流程中，電池片的正面單焊和背面串焊的質(zhì)量非常重要。由于自動(dòng)化焊接的碎片率較高，故目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家主要使用手工焊接方法，手工焊接導(dǎo)致焊接不良的因素眾多，主要的不良現(xiàn)象如下。

1)虛焊。虛焊產(chǎn)生的機(jī)理是錫鉛與電池片電極銀層合金形成程度差。而影響形成合金的因素有溫度及錫鉛銀表面金屬活性度等。

2)裂片。電池片裂片如圖2所示，產(chǎn)生的機(jī)理是外力沖擊、電池片隱裂或溫差收縮產(chǎn)生應(yīng)力。

3)錫絲、錫渣。錫絲、錫渣如圖3所示，產(chǎn)生的機(jī)理是錫鉛與電池片電極銀層合金形成程度差，影響合金形成的因素有溫度及錫鉛銀表面金屬活性度。

圖2　　　　光伏電池單元中　　　　圖3　　　　光伏電池單元中　　　的裂片　　　的錫渣

2.2焊接技術(shù)矛盾與物理矛盾

根據(jù)虛焊、裂片、錫絲及錫渣產(chǎn)生的機(jī)理可知，溫度對(duì)它們的影響很大，降低溫度可以減少由于溫度差引起的熱應(yīng)力，從而減少隱裂或裂片的出現(xiàn)，但溫度降低會(huì)影響焊帶與電池片主柵線的結(jié)合，從而影響電池片的使用壽命。根據(jù)溫度與其他因素的關(guān)系可以歸結(jié)為溫度和靜止物體作用時(shí)間之間的技術(shù)矛盾。根據(jù)對(duì)技術(shù)沖突的描述，將此技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為39個(gè)工程參數(shù)中的2項(xiàng)。

1)17號(hào)工程參數(shù)溫度[5]。溫度表示物體所處的熱狀態(tài)，反映在宏觀上系統(tǒng)熱動(dòng)力平衡的狀態(tài)特征，也包括其他熱學(xué)參數(shù)，比如影響溫度變化速率的熱容量。在此問(wèn)題中，應(yīng)降低焊接溫度，作為改善的工程參數(shù)。

2)16號(hào)工程參數(shù)靜止物體的作用時(shí)間。靜止物體的作用時(shí)間指靜止物體具備其性能或者完成作用的時(shí)間、服務(wù)時(shí)間以及耐久時(shí)間等。2次故障之間的平均時(shí)間，也是作用時(shí)間的一種量度。在此問(wèn)題中，電池片的使用壽命降低，作為惡化的工程參數(shù)。

2.3解決方案的選擇與分析

根據(jù)得到的2個(gè)工程參數(shù)，通過(guò)查詢TRIZ理論提供的矛盾矩陣，可得到解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理，即18、19、36和40號(hào)創(chuàng)新原理。

1)18號(hào)振動(dòng)原理。包含：a.使物體處于振動(dòng)狀態(tài)；b.如果振動(dòng)存在，增加其頻率，甚至可以增加到超聲；c.使用共振頻率；d.使用電振動(dòng)代替機(jī)械振動(dòng)；e.使用超聲波與電磁場(chǎng)耦合。

2)19號(hào)周期性作用原理。包含：a.用周期性運(yùn)動(dòng)或脈動(dòng)代替連續(xù)運(yùn)動(dòng)；b.對(duì)周期性的運(yùn)動(dòng)改變其運(yùn)動(dòng)頻率；c.在2個(gè)無(wú)脈動(dòng)的運(yùn)動(dòng)之間增加脈動(dòng)。

3)36號(hào)狀態(tài)變化原理。包含：在物質(zhì)狀態(tài)變化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)某種效應(yīng)。

4)40號(hào)復(fù)合材料原理。包含：將材質(zhì)單一的材料改為復(fù)合材料。

通過(guò)對(duì)技術(shù)矛盾的分析，其中18、19和36號(hào)創(chuàng)新原理對(duì)徹底解決該問(wèn)題的指導(dǎo)意義不大，最終選擇40號(hào)發(fā)明創(chuàng)新原理?？蛇x用一種適用于電池片焊接的新型導(dǎo)電膠帶，將這種膠帶代替以前的焊帶，可以帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)：1)減少了破片、翹曲和虛焊等問(wèn)題；2)焊接溫度可以降低到180 ℃以下，減少了對(duì)電池片的損傷；3)可以將電池片厚度降低至130 μm；4)無(wú)鉛施工法(歐盟后續(xù)可能會(huì)和電子行業(yè)一樣要求無(wú)鉛)；5)工作效率可以和自動(dòng)串焊機(jī)相同。

3結(jié)語(yǔ)

TRIZ理論認(rèn)為發(fā)明創(chuàng)造的核心是解決沖突，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中不斷地發(fā)現(xiàn)沖突，利用發(fā)明原理解決此沖突，獲得理想的產(chǎn)品。TRIZ理論還認(rèn)為可以根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)演變的規(guī)律對(duì)產(chǎn)品的發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而找到具有創(chuàng)新性的解決方案，縮短發(fā)明創(chuàng)造的周期，提高發(fā)明創(chuàng)造的成功率，因此，TRIZ理論成為了廣大科技工作者開啟創(chuàng)新設(shè)計(jì)之門的一把鑰匙。

本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件焊接技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的虛焊、裂片、錫絲及錫渣等問(wèn)題，將TRIZ理論應(yīng)用到焊接技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，對(duì)焊接技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了光伏組件焊接過(guò)程中的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難題，充分表明了TRIZ理論應(yīng)用于光伏組件焊接領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性和高效性，為光伏組件焊接技術(shù)的選擇和設(shè)計(jì)提供了一種全新的創(chuàng)新思路和有利的工具。TRIZ理論在光伏組件焊接領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步階段，可以開展更廣泛和深入的研究，為創(chuàng)新光伏組件焊接技術(shù)提供解決問(wèn)題的系統(tǒng)性方法，應(yīng)充分利用TRIZ理論的優(yōu)越性為光伏組件焊接技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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* 湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(12C0619)

責(zé)任編輯鄭練

Innovation Design of Photovoltaic Modules Welding Technology based on TRIZ Methodology

GUO Qinghua1, GONG Junhui2

(1.Solar Energy Engineering, Hunan Vocational Institute of Technology, Xiangtan 411104, China;2.College of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

Abstract：TRIZ methodology is a theory of solving invention problem, which is a methodology of finding problems and solving the problems. Practical problems will be converted to TRIZ ones in the process of innovation, with the tools of TRIZ solving and improving the contradiction which is existing inside of products, and ultimately achieve a process of innovation. To solve the problems in the design of photovoltaic modules welding technology, the TRIZ methodology has been introduced into the innovation design progress of photovoltaic modules welding technology. The actual problems are analyzed，but the technical and physical contradictions are found out by using the TRIZ methodology. After consulting the contradiction matrix of TRIZ methodology, the photovoltaic modules welding innovation design is finished according to innovation principles which are provided by the TRIZ methodology.

Key words:photovoltaic modules, welding technology, TRIZ methodology, innovation design

收稿日期：2015-07-28

作者簡(jiǎn)介：郭清華(1978-)，女，講師，碩士，主要從事光伏組件、太陽(yáng)能電池材料等方面的研究。

中圖分類號(hào)：O 482.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A