不規(guī)則太陽(yáng)能電池片自動(dòng)焊接適應(yīng)性的分析

李瑞濤

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

太陽(yáng)能電池片是光伏組件生產(chǎn)過(guò)程中的重要原材料，其外形尺寸一般為長(zhǎng)寬均為156 mm厚度為180～230 μm,基底材料以硅為主。由于太陽(yáng)能電池片厚度較薄，且比較易碎，所以在運(yùn)輸以及生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的崩邊缺角電池片。崩邊缺角的電池片會(huì)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力不均勻?qū)е码姵仄验_(kāi)。所以崩邊缺角片會(huì)作為不合格產(chǎn)品在焊接前被串焊機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)分揀出。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，太陽(yáng)能電池片串焊機(jī)在一般組件行業(yè)內(nèi)電池片的破片率為2‰，以國(guó)內(nèi)2016年光伏裝機(jī)容量為18.5 GW為例來(lái)計(jì)算，僅僅在電池片串焊環(huán)節(jié)產(chǎn)生的破片就多達(dá)880萬(wàn)片。在通常情況下，破損的電池片會(huì)回收后再度回爐提煉，但是會(huì)造成較大的污染以及浪費(fèi)，并且用再造硅制成的電池片的各方面性能指標(biāo)會(huì)有一定程度的下降。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，有一些組件生產(chǎn)廠商會(huì)將崩邊缺角以及破損面積較小的電池片，用激光切割機(jī)進(jìn)行切割。目前市場(chǎng)上常規(guī)的切割后產(chǎn)品有半片(156×39)mm；四分之一片(156×78)mm；八分之一片(156×19.5)mm等幾種規(guī)格。激光切割后的電池片經(jīng)過(guò)串焊后，仍然可以達(dá)到組件生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)，用不規(guī)則電池串焊后的組件可滿足一些小功率用電的需求，如某品牌共享單車(chē)前部車(chē)筐內(nèi)的太陽(yáng)能充電裝置。

1 焊接不規(guī)則電池片時(shí)存在的問(wèn)題

太陽(yáng)能電池片串焊機(jī)是光伏組件生產(chǎn)中的重要關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備可自動(dòng)拉出設(shè)定長(zhǎng)度的互聯(lián)條并裁切擺放，通過(guò)四軸機(jī)器人結(jié)合視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)定位擺放電池片，并可將互聯(lián)條與電池片串聯(lián)焊接。太陽(yáng)能電池片串焊成組件時(shí)，互聯(lián)條和電池片交錯(cuò)放置，首先放置一層互聯(lián)條，之后放置電池片，然后再放置互聯(lián)條，之后交替進(jìn)行?；ヂ?lián)條在光伏組件中起到收集和傳導(dǎo)電流的作用一般互聯(lián)條的長(zhǎng)度為電池片長(zhǎng)度的1.8倍。不規(guī)則電池片相對(duì)于普通電池片來(lái)說(shuō)，串焊時(shí)的最主要不同點(diǎn)就是電池片所對(duì)應(yīng)的互聯(lián)條長(zhǎng)度不同，不同電池片對(duì)應(yīng)的互聯(lián)條長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 互聯(lián)條長(zhǎng)度表

目前光伏市場(chǎng)上的主流光伏組件的互聯(lián)條橫截面寬度約為1.0～1.5 mm，厚度約為0.23～0.25 mm 其基材為銅，表面鍍層為Sn60Pb40，其密度為8.5 g/mm3。由于互聯(lián)條在夾持狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，串焊接標(biāo)準(zhǔn)電池片的情況，正是利用了互聯(lián)條的彎曲變形，才使得互聯(lián)條可以貼附在電池片上。在通過(guò)串焊機(jī)拉帶機(jī)構(gòu)拉取相應(yīng)長(zhǎng)度的互聯(lián)條后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)互聯(lián)條長(zhǎng)度小于120 mm時(shí)，由于互聯(lián)條自身材料的強(qiáng)度特性，互聯(lián)條在一端夾持5 mm的狀態(tài)下，另一端自行下垂量很小。這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)條和電池片無(wú)法貼合。從而導(dǎo)致下一片電池片無(wú)法放置在互聯(lián)條上，如果強(qiáng)制放下會(huì)導(dǎo)致電池片的破損。

對(duì)互聯(lián)條進(jìn)行力學(xué)分析，可以將一段被夾持的互聯(lián)條簡(jiǎn)化為一端固定一端懸臂的梁。

如圖1[1]，互聯(lián)條所受載荷為自身重力F可簡(jiǎn)化為均布載荷。

圖1 互聯(lián)條受力分析簡(jiǎn)圖

互聯(lián)條可選取目前在實(shí)際生產(chǎn)中較為常用的尺寸：寬度為1.2 mm ,厚度為0.23 mm。則單位長(zhǎng)度的互聯(lián)條的重量為2.346 g/mm，σb=295 MPa。

A=1.2×0.23×10-6=0.276

互聯(lián)條的彈性模量E=91×109Pa

慣性矩I=bh3/12[2]

寬度b=0.012 m

高度h=0.000 23 m

最大撓度f(wàn)B=-ql4/8EI[2]

長(zhǎng)度l=(0.07-0.12)m

經(jīng)過(guò)校核計(jì)算可得出，長(zhǎng)度為70 mm的互聯(lián)條末端會(huì)產(chǎn)生約2.63 mm的形變(如圖2)，長(zhǎng)度120 mm的互聯(lián)條末端會(huì)產(chǎn)生約49 mm的形變(如圖3)。與實(shí)際生產(chǎn)中的互聯(lián)條下垂?fàn)顟B(tài)基本吻合。

圖2 70 mm互聯(lián)條最大形變 圖3 120 mm互聯(lián)條最大形變

2 不規(guī)則電池片短互聯(lián)條的取放

針對(duì)不同長(zhǎng)度的互聯(lián)條的受力分析結(jié)果以及實(shí)際生產(chǎn)時(shí)互聯(lián)條狀態(tài)分析可知，對(duì)長(zhǎng)度大于120 mm的互聯(lián)條進(jìn)行取放時(shí)，仍然可使用標(biāo)準(zhǔn)串焊機(jī)的焊帶取放方式，機(jī)構(gòu)如圖4。對(duì)長(zhǎng)度小于120 mm的互聯(lián)條進(jìn)行取放時(shí)，一般采用真空吸附的方式，結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)串焊機(jī)拉帶機(jī)構(gòu)

圖5 四分之一片串焊機(jī)吸帶機(jī)構(gòu)

由于互聯(lián)條的實(shí)際截面并不是規(guī)則矩形如圖6。在采取吸附方式時(shí)互聯(lián)條可以利用的吸附寬度小于1.2 mm。一般采用加工微型吸附孔的方式，對(duì)互聯(lián)條進(jìn)行吸取。 通過(guò)這種方式，可以將未發(fā)生彎曲變形的短焊帶平整的放置在電池片上，從而完成電池片的焊接。

圖6 互聯(lián)條橫截面

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池片串焊所需的互聯(lián)條的材質(zhì)以及力學(xué)性能的分析，對(duì)不規(guī)則電池片進(jìn)行范圍劃定，二分之一電池片仍然可以使用傳統(tǒng)串焊機(jī)的拉帶方式進(jìn)行焊接，四分之一電池片和八分之一的電池片需要在采用真空吸附焊帶的方式進(jìn)行焊接。

[1] 成大先，王德夫，姬奎生，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1-124.

[2] 戴少度，陳維毅，肖玲，等.材料力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.8 ：164.