太陽(yáng)電池片應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

晶澳太陽(yáng)能有限公司 ■ 趙愛(ài)爽 李朝 康永川 郝立輝 王沛康

0 引言

光伏組件生產(chǎn)過(guò)程中，太陽(yáng)電池片的機(jī)械強(qiáng)度決定了組件的可靠性，而在電池片的生產(chǎn)過(guò)程，中原料片的厚度，電池片的燒結(jié)、鍍膜及印刷等工藝都影響著電池片的機(jī)械性能。隨著高效電池片和多柵線電池片的發(fā)展，市面上專業(yè)的電池片彎曲應(yīng)力測(cè)試設(shè)備相對(duì)較少，然則電池片的應(yīng)力測(cè)試過(guò)程會(huì)成為電池片生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要檢測(cè)指標(biāo)，同時(shí)也可為后續(xù)組件的機(jī)械載荷測(cè)試提供有利的數(shù)據(jù)支持。

本文設(shè)計(jì)了一款四點(diǎn)彎曲檢測(cè)電池片應(yīng)力的機(jī)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)待檢測(cè)電池片的彎矩均勻分布，試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是壓夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，工業(yè)生產(chǎn)中較少使用。 臺(tái)在設(shè)計(jì)上采用新型的鋁制鏤空拱狀球形結(jié)構(gòu)，球的任何一個(gè)地方受力，力都可向四周均勻的分散開(kāi)來(lái)，較小的線性接觸面，可保證精測(cè)精度。

測(cè)試過(guò)程是將電池片放在有一定距離的兩個(gè)受力點(diǎn)(也就是四點(diǎn)彎曲夾具的下半部分)上，在受力點(diǎn)的上方有兩個(gè)點(diǎn)(四點(diǎn)彎曲夾具上半部分)向電池片施加壓力，可通過(guò)夾具上方的精密壓力傳感器有效采集電池片在下移過(guò)程中的變量值[1]。通過(guò)可編輯程控制器(PLC)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，組態(tài)單元主要是將采集到的數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，界面可進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，并且有壓力曲線界面、歷史曲線界面和實(shí)時(shí)的壓力參數(shù)界面等；從電池片檢測(cè)后的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行界定和分析，所采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)USB端口以報(bào)表的形式將數(shù)據(jù)拷貝出，便于數(shù)據(jù)分析。

1 太陽(yáng)電池應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、壓力感應(yīng)系統(tǒng)、壓力變送系統(tǒng)、運(yùn)算控制系統(tǒng)和界面操作系統(tǒng)等組成。結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 太陽(yáng)電池應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)框圖

供電系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，包括保護(hù)裝置、變壓模塊等。控制核心元件主要是壓力感應(yīng)系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)電池片在受壓時(shí)的數(shù)據(jù)。壓力變送系統(tǒng)是將壓力感應(yīng)系統(tǒng)的壓力信號(hào)變成電信號(hào)，然后傳送到運(yùn)算控制系統(tǒng)。運(yùn)算控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，它將壓力變送系統(tǒng)發(fā)來(lái)的電信號(hào)通過(guò)運(yùn)算控制系統(tǒng)的A/D模塊進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，再通過(guò)界面操作系統(tǒng)進(jìn)行顯示，并且可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制。界面操作系統(tǒng)主要包括觸摸屏的組態(tài)軟件，通過(guò)和PLC（可編程控制器）進(jìn)行通訊，相互采集數(shù)據(jù)，同時(shí)也可通過(guò)面板按鍵對(duì)控制單元進(jìn)行控制，操作人員通過(guò)操作界面上的按鍵控制設(shè)備的運(yùn)行，并在界面顯示相關(guān)報(bào)表數(shù)據(jù)等[2]。

2 壓力感應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

壓力感應(yīng)系統(tǒng)是整體設(shè)備主要檢測(cè)元件，主要是感應(yīng)工作時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)包括上壓板和上壓條、下壓板和下壓條，以及壓力傳感器等。壓力感應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 壓力感應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上壓板部分是通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)上壓板和上壓條向下位移，下壓板部分包括下連接板、壓力傳感器、下壓板和下壓條；上壓條和下壓條之間的間距可根據(jù)待檢電池片的薄厚進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力傳感器是電池片受到感應(yīng)壓力，傳送數(shù)據(jù)的感應(yīng)元件。

3 運(yùn)算控制系統(tǒng)

運(yùn)算控制系統(tǒng)主要由松下的伺服電機(jī)、三菱的PLC單元、鏤空拱狀承載裝置和壓力傳送裝置等組成。如果運(yùn)算控制系統(tǒng)檢測(cè)精度不夠就會(huì)造成檢測(cè)誤差[3,4]。電池片檢測(cè)步驟如圖3所示，其中，圖3a是將待測(cè)電池片放置到下壓條上；圖3b是電池片在受到一定壓力時(shí)的形變過(guò)程；圖3c是電池片受壓達(dá)到極限時(shí)就會(huì)爆裂，在爆裂后檢測(cè)步驟完成。

圖3 電池片檢測(cè)時(shí)的形變過(guò)程圖

4 控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)是由兩種運(yùn)行模式組成：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式是通過(guò)手動(dòng)控制伺服系統(tǒng)步進(jìn)式進(jìn)行位移，可觀察不同彎曲時(shí)的位移值和壓力值；自動(dòng)模式是采用一鍵式操作，檢測(cè)時(shí)直至電池片爆裂后數(shù)據(jù)采集完畢，伺服控制系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)。電池片應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程如圖4所示。

圖4 電池片應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程

5 操作系統(tǒng)介紹

在本設(shè)計(jì)中，使用觸摸屏一體機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作和顯示，觸摸屏界面主要顯示工作時(shí)的壓力數(shù)據(jù)和曲線，顯示太陽(yáng)電池片的壓力值和位移值等；操作按鍵實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)的操作；獨(dú)立的顯示界面將操作界面和曲線界面、報(bào)表界面單獨(dú)顯示。

圖5 組態(tài)界面操作及變量顯示過(guò)程圖

在檢測(cè)過(guò)程中不可或缺的就是觸摸屏操作界面，界面上有硬件控制、壓力和位移的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息采集，以及歷史數(shù)據(jù)的保存等功能。在測(cè)試過(guò)程中，壓力傳感器會(huì)不斷的采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以報(bào)表的形式導(dǎo)出，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可以分析不同壓力電池片的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出[5,6]。實(shí)時(shí)曲線顯示功能可顯示在數(shù)據(jù)采集時(shí)的數(shù)據(jù)曲線，整體設(shè)備占用空間小，單人可實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)操作，主要元件的檢測(cè)精度小于0.001，設(shè)備故障率低；數(shù)據(jù)采集主要以Excel報(bào)表格式輸出，方便操作人員采集數(shù)據(jù)，分析性能。組態(tài)界面操作及變量顯示過(guò)程如圖5所示[1,2]。

6 結(jié)論

本文是根據(jù)電池片的檢測(cè)需求而設(shè)計(jì)的一款可檢測(cè)電池應(yīng)力的設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用新型的鋁制鏤空拱狀球形結(jié)構(gòu)，并采用高精度的壓力感應(yīng)系統(tǒng)、精確的檢測(cè)單元和傳送系統(tǒng)，以及觸摸屏顯示單元；可檢測(cè)任何柵線的電池片和較厚的原料電池片，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)功能。此設(shè)備主要檢測(cè)電池片在受機(jī)械載荷時(shí)的形變及在形變過(guò)程中所受應(yīng)力的大小，設(shè)計(jì)的壓條間距可根據(jù)檢測(cè)電池片的薄厚進(jìn)行調(diào)節(jié)且對(duì)電池的大小和柵線不做限制；通過(guò)PLC作為數(shù)字運(yùn)算的關(guān)鍵部分，伺服電機(jī)作為傳送的控制單元，使太陽(yáng)電池片的檢測(cè)數(shù)據(jù)更加精確。本文所設(shè)計(jì)的電池片應(yīng)力測(cè)試機(jī)臺(tái)可以滿足電池片應(yīng)力檢測(cè)需求，為晶硅光伏組件的機(jī)械載荷測(cè)試提供有力保障。

[1]李中蘭,楊德仁,朱鑫,等.薄片單晶硅太陽(yáng)電池片機(jī)械強(qiáng)度的研究[A].第十屆中國(guó)太陽(yáng)能光伏會(huì)議論文集：迎接光伏發(fā)電新時(shí)代[C],上海,2008.

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