高效PERC電池智能制造新模式應(yīng)用研究

朱 輝，張春成，吳得軼，黃心沿

（1.湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司光伏裝備工程部，長(zhǎng)沙 410009；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410012）

0 引言

我國(guó)是光伏電池制造大國(guó)，光伏電池出貨量連續(xù)十年保持全球第一。人類對(duì)能源安全的擔(dān)憂和環(huán)境惡化的焦慮，使得充分利用可再生能源已經(jīng)成為全球共識(shí)。以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)[1]。隨著光伏電池技術(shù)的進(jìn)步，以背面鈍化電池（以下簡(jiǎn)稱PERC電池）為代表的新一代高效光伏電池正逐步取代常規(guī)電池，市場(chǎng)前景廣闊，傳統(tǒng)晶硅光伏電池面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)和降本增效的迫切需求[2]。

湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司是一家以光伏裝備制造及光伏電池生產(chǎn)為核心，擁有完整光伏產(chǎn)業(yè)鏈的高新技術(shù)企業(yè)。在光伏裝備研發(fā)、光伏電池生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)線整線交鑰匙服務(wù)等方面擁有雄厚的技術(shù)實(shí)力和經(jīng)驗(yàn)。2016年，公司基于兩臺(tái)進(jìn)口核心工藝裝備，投資近一個(gè)億建設(shè)了100MW高效PERC光伏電池示范線，對(duì)部分工藝設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)化升級(jí)，部分工序?qū)崿F(xiàn)了物料的傳遞和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集。2017年，在100MW工藝和技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，開展500MW高效PERC電池智能制造車間，該項(xiàng)目獲批2017年工信部綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用立項(xiàng)。

1 整線自動(dòng)化方案

1.1 傳統(tǒng)光伏車間

傳統(tǒng)光伏車間自動(dòng)化程度不高，依靠人工進(jìn)行物料搬運(yùn)，人工進(jìn)行上下料，人工插取片。生產(chǎn)效率不高，人工干預(yù)導(dǎo)致碎片率高，對(duì)硅片造成污染，從而影響電池片的生產(chǎn)效率。人力成本高，能源消耗大等造成電池片生產(chǎn)成本高。

圖1 傳統(tǒng)光伏車間人工搬運(yùn)物料

圖2 傳統(tǒng)光伏車間人工上下料

1.2 智能制造車間總體方案

圖3 高效PERC電池智能制造生產(chǎn)車間的平面布局草圖

紅太陽(yáng)500MW高效PERC電池智能制造生產(chǎn)線，綜合利用機(jī)器人、AGV、輸送線等綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)整線自動(dòng)化，六軸機(jī)器人主要用于物料搬運(yùn)、上下料以及翻轉(zhuǎn)，AGV主要用于遠(yuǎn)距離之間的物料搬運(yùn)，輸送線主要用于相鄰兩較遠(yuǎn)工序之間物料傳輸。創(chuàng)新式應(yīng)用了系列化減速機(jī)、傳感器等十余種核心智能制造技術(shù)裝備。本項(xiàng)目根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)太陽(yáng)能電池制造降本增效和轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，通過(guò)數(shù)字化車間技術(shù)在光伏電池制造的應(yīng)用，以提升智能制造核心裝備、短板裝備的創(chuàng)新能力和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)為抓手，形成自主、安全可控的智能制造裝備、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、數(shù)字化車間管控軟件等產(chǎn)品及流程性數(shù)字化車間系統(tǒng)集成新模式服務(wù)能力。

圖4 500MW PERC電池車間三維布局圖

1.3 自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的具體形式

針對(duì)兩相鄰工序，距離較近時(shí)，可以直接通過(guò)六軸機(jī)器人進(jìn)行上下料。在兩個(gè)相鄰工序之間設(shè)置緩存站點(diǎn)，用于設(shè)備故障或者短時(shí)間前后設(shè)備產(chǎn)能不匹配問題，產(chǎn)能大小可根據(jù)故障時(shí)間設(shè)定。對(duì)于姿態(tài)變化簡(jiǎn)單的還可以選用桁架機(jī)械手，四軸機(jī)器人，降低成本。

AGV主要用于遠(yuǎn)距離的物料搬運(yùn)，圖6智能物流AGV小車是最簡(jiǎn)單的一種，需要設(shè)計(jì)托盤，托盤上面放置花籃，AGV托起花籃運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)AGV小車的改造升級(jí)，可以將輸送線跟AGV小車結(jié)合，采用輸送線做緩存，實(shí)現(xiàn)AGV小車可以跟輸送線對(duì)接直接連線，同時(shí)在統(tǒng)一設(shè)備上下料口的工序上，可以AGV直接對(duì)接，不用機(jī)器人上下料。

圖5 六軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人在物料搬運(yùn)

圖6 智能物流AGV小車示意圖

圖7 帶傳輸線的AGV

2 智能制造車間各指標(biāo)具體測(cè)算

1）生產(chǎn)效率提高20%以上：通過(guò)分析比較智能制造數(shù)字化車間和傳統(tǒng)車間單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)制造數(shù)量，計(jì)算出生產(chǎn)效率提高率。

行業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)線，電池片在制造環(huán)節(jié)是以批次為單位，前一道工序完成后由人工抽檢，檢驗(yàn)合格后流入到下一工序，設(shè)備平均停機(jī)待料時(shí)間4.5小時(shí)/天。智能制造產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)整線不間斷流片，實(shí)現(xiàn)全部產(chǎn)品在線全檢，設(shè)備平均停機(jī)待料時(shí)間縮短到0.5小時(shí)/天。以500MW電池線為例：每天增加產(chǎn)量64000片，每天產(chǎn)量由312000片，增加到376000片。（500MW電池線每天最大產(chǎn)出：24h×3200片/h=384000片）計(jì)算方法：生產(chǎn)效率由312000/384000=81.25%提高到376000/384000=97.92%，提高比例為：（97.92-81.25）/81.25=20.5%。

2）運(yùn)營(yíng)成本降低20%以上：通過(guò)分析比較智能制造數(shù)字化車間和傳統(tǒng)車間產(chǎn)品制造成本材料費(fèi)用、直接人工、間接人工和其他費(fèi)用，計(jì)算得出運(yùn)營(yíng)成本降低率。

以500MW產(chǎn)線每月生產(chǎn)1000萬(wàn)片電池片計(jì)算：行業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)線需要人工添加漿料、化學(xué)藥品等輔材，添加過(guò)程中存在損耗，工藝參數(shù)均為人工控制，輔材的使用量較理想水平偏高，輔材成本1935萬(wàn)元，產(chǎn)線員工500人，工資福利支出400萬(wàn)元，制造費(fèi)用525萬(wàn)元，非硅運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用總和為2860萬(wàn)元。智能制造線實(shí)現(xiàn)輔材自動(dòng)添加，避免了損耗，工藝參數(shù)精確控制，保證輔材使用量處于理想水平，輔材成本降低到1745萬(wàn)元；整線自動(dòng)化，大幅度降低人員操作量，產(chǎn)線員工人數(shù)下降到250人，工資福利支出下降到125萬(wàn)元，制造費(fèi)用下降到360萬(wàn)元，非硅運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用總和為2230萬(wàn)元/月。以每月生產(chǎn)1000萬(wàn)片電池片計(jì)算，非硅運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用總和由2860萬(wàn)元/月降低至2230萬(wàn)元/月，降低22.02%。

3）產(chǎn)品研制周期縮短30%以上：通過(guò)分析比較智能制造數(shù)字化車間和傳統(tǒng)車間產(chǎn)品從論證到批產(chǎn)完成所需時(shí)間，計(jì)算得出產(chǎn)品研制周期縮短率。產(chǎn)品研制周期為包含調(diào)研論證期、產(chǎn)品設(shè)計(jì)期、工藝實(shí)驗(yàn)期、樣品測(cè)試期、批量測(cè)試期、移交生產(chǎn)期在內(nèi)的整個(gè)周期。

在傳統(tǒng)產(chǎn)線上，需要1個(gè)月的調(diào)研論證期、1個(gè)月的產(chǎn)品設(shè)計(jì)期、4個(gè)月的工藝實(shí)驗(yàn)期、2個(gè)月樣品測(cè)試期、2個(gè)月的批量測(cè)試期、2個(gè)月的移交生產(chǎn)期，共計(jì)12個(gè)月。智能化產(chǎn)線上所有產(chǎn)品的工藝參數(shù)均可以在線監(jiān)控、在線調(diào)整，實(shí)時(shí)追朔，為工藝實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析提供了極大的便利，工藝試驗(yàn)期由4個(gè)月縮短為1.5個(gè)月，批量試驗(yàn)期由2個(gè)月縮短為1個(gè)月，智慧化產(chǎn)線的人工干預(yù)少，需要進(jìn)行的人員培訓(xùn)大幅降低，移交生產(chǎn)期由2個(gè)月縮短為1個(gè)月，整個(gè)研發(fā)周期縮短為7.5個(gè)月?？傃兄浦芷谟?2個(gè)月縮短為7.5個(gè)月，縮短37.5%

4）產(chǎn)品不良品率降低20%以上：通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析比較智能制造數(shù)字化車間和傳統(tǒng)車間生產(chǎn)萬(wàn)件產(chǎn)品的不合格品數(shù)量，計(jì)算得出產(chǎn)品不良品率降低率。在太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中由于破片、色差、方阻異常、低效等原因?qū)е碌慕导?jí)比例稱之為不良品率。

在傳統(tǒng)產(chǎn)線上，由于人工操作失誤、工藝參數(shù)誤差導(dǎo)致的碎片率為0.8%，色差片比率0.6%，方阻異常片比率0.9%，低效片比率0.7%。智能化產(chǎn)線對(duì)所有工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，提高了控制精度，同時(shí)減少了人工干預(yù)，避免了人員操作失誤。碎片率降低到0.5%，色差片比率降低到0.4%，方阻異常片比率降低到0.7%，低效片比率降低到0.5%。產(chǎn)品不良品率由3%降低到2.1%，降低30%

5）單位產(chǎn)值能耗降低10%以上：通過(guò)分析比較智能制造數(shù)字化車間和傳統(tǒng)車間生產(chǎn)相同數(shù)量產(chǎn)品車間的用電消耗量，計(jì)算得出能源利用率。

傳統(tǒng)產(chǎn)線無(wú)論是否生產(chǎn)產(chǎn)品，設(shè)備均處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，每月耗電量為600萬(wàn)千瓦時(shí)。能源管理系統(tǒng)，設(shè)備啟動(dòng)待機(jī)程序，能耗低，每月用電量由600萬(wàn)千瓦時(shí)降低到575萬(wàn)千瓦時(shí)。由于停機(jī)待料時(shí)間由平均4.5小時(shí)每天縮短到0.5小時(shí)每天，每月產(chǎn)品數(shù)量由936萬(wàn)增加到1128萬(wàn)。能源利用率由0.64萬(wàn)千瓦時(shí)每萬(wàn)片，降低到0.51萬(wàn)千瓦時(shí)每萬(wàn)片，單位產(chǎn)值能耗降低20.3%。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目建設(shè)高效PERC電池智能制造數(shù)字化車間，通過(guò)高效PERC光伏電池制造、質(zhì)量、物流、設(shè)備等管理信息化、智能化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提高20%以上，運(yùn)營(yíng)成本降低20%以上，產(chǎn)品研制周期縮短30%以上，產(chǎn)品不良品率降低30%以上，單位產(chǎn)值能耗降低10%以上，高效光伏電池產(chǎn)品年產(chǎn)能達(dá)到500MW，產(chǎn)值10億元。