PSG上料自動化產(chǎn)能分析與設(shè)計優(yōu)化

折 飛，朱江江，張建麗，陳嘉榮

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和全球環(huán)境污染加劇，我國提出碳中和計劃，即二氧化碳排放力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，以太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源行業(yè)正在引起高度關(guān)注。在雙碳大背景下，光伏、風(fēng)能、氫能等新能源作為清潔能源的代表，是賦予其節(jié)能、減碳的綠色標(biāo)簽。在光伏行業(yè)發(fā)展道路上，電池片始終如一占據(jù)著光伏發(fā)展的核心地位，電池技術(shù)的發(fā)展代表著光伏技術(shù)的迭代更新，光伏技術(shù)的迭代離不開核心設(shè)備的更新。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其核心是光伏電池制造工藝[1]。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏自動化設(shè)備發(fā)展逐步成熟完善，競爭日趨激烈，如何提升設(shè)備競爭力，尤其是提高設(shè)備產(chǎn)能，成為行業(yè)內(nèi)研究的重點。

1 結(jié)構(gòu)分析

PSG工藝是太陽能電池制作中非常重要的一道工序，PSG是指硅片表面的磷硅玻璃，PSG的上一道工序是擴散工藝，在擴散過程中會通入氧氣，在硅片表面形成一層氧化硅，在高溫下POCl3與O2形成P2O5，部分磷原子進入后，取代部分晶格上的硅原子形成N型半導(dǎo)體，部分則留在氧化硅中形成PSG。磷硅玻璃的存在使得硅片在空氣中表面容易受潮，導(dǎo)致電流的降低和功率的衰減，降低電池的轉(zhuǎn)換效率。

氧化后的硅片被裝在100片的料盒中，通過智能AGV小車運送到PSG工藝段，并與料盒循環(huán)組件對接后將滿料盒的硅片傳入PSG上料機，通過料盒循環(huán)組件進入升降工作位，1臺上料設(shè)備共有4個工作位，伸縮手將料盒中的硅片依次傳出，雙向出片在橫向組件上排成10片，通過氣缸升降動作將硅片傳送方向由橫向改為縱向，流入工藝機臺。PSG上料機結(jié)構(gòu)及硅片運動方向如圖1所示。PSG上料流程動作分解，共有3個周期，即：橫向5道排片時間、升降出片時間和縱向傳送時間。通過計算每個周期所用的時間，得出該周期的理論產(chǎn)能，通過比較三個周期產(chǎn)能大小，可以知道3個動作流程周期中的最小產(chǎn)能為最終設(shè)備產(chǎn)能。

圖1 PSG上料機結(jié)構(gòu)及硅片運動方向

1.1 橫傳排片

橫向傳送組件的作用是通過氣缸升降動作，將硅片的傳送方向由橫向變?yōu)榭v向。當(dāng)氣缸在上位時，橫向傳送組件跟側(cè)傳組件在同一水平高度，硅片由側(cè)傳組件傳送到橫向傳送組件，并通過傳感器進行重新排距。每一個周期內(nèi)，有5張硅片各走一個步進距離，等全部排好后，氣缸向下動作，硅片落到縱向傳送皮帶上，通過皮帶運動將硅片輸送至工藝機臺。橫向傳送組件由步進電機、升降氣缸、直線軸承、平皮帶等零件組成，如圖2所示。

圖2 橫向傳送組件

橫向排片時間為5張硅片排片時間+該排硅片縱向傳出一個硅片距離時間+橫向氣缸升降動作時間。橫向排片間隔（L1）取250 mm，主動輪直徑D=30 mm，電機加速度a=60 r2/s，速度V=6 r/s。

硅片速度從0加速到最大速度所用的時間為t1，則：t1=V/a=0.1 s

勻速時間t2=S2/V≈0.342 s，硅片走一步所用時間為：

取橫向氣缸一個動作為t3=0.2 s，硅片縱向傳出250 mm后氣缸抬起。

橫向排片總時間T=5t+2×0.2+t=3.652 s。

根據(jù)求得的時間T可知，橫向排好5張硅片所需要的時間是3.652 s，而PSG上料設(shè)備一共有4個橫傳組件，由此可以得出該周期最大產(chǎn)能n=

1.2 升降出片

升降組件是PSG上料設(shè)備的工作位，其作用是將裝在料盒里的硅片通過皮帶將其傳出，并傳送至工藝機臺。升降組件的工作原理是通過伺服電機驅(qū)動，絲杠、導(dǎo)軌等運動部件，實現(xiàn)料盒的上下運動。升降組件的運動流程是先將料盒移動至第一片的位置，通過皮帶運動將硅片取出，裝在升降組件上的漫反射傳感器檢測到硅片傳出來后，升降組件通過伺服驅(qū)動，向下移動一個料盒齒的距離，第二張硅片就被放在了皮帶上，依次重復(fù)，直到料盒里的100張硅片全部傳出。升降組件由伺服電機、聯(lián)軸器、絲杠、模組、同步帶等組成。

該周期為硅片從升降中傳出，假設(shè)出片距離為400 mm，仍然取加速度a=60r2/s，速度V=6 r/s，L1=400 mm≈4.25 r。

根據(jù)求橫向傳送周期中，硅片傳一步所需要的時間t的公式t2+2t1，可以求得硅片傳一步需要時間0.81 s，升降動作0.15 s，所以一片所需時間為0.96 s，100片所需時間96 s，加上換籃18 s總共需要T=114 s。

根據(jù)求得的時間T可知，升降組件將料盒里的100張硅片全部傳出，并且將空料盒傳送到循環(huán)組件，將滿料盒傳進從循環(huán)組件傳送到升降組件所需要的時間是114 s，因為1臺設(shè)備有4個升降組件，由此可計算出產(chǎn)能為：

1.3 縱向傳送組件

縱向傳送組件是通過交流步進電機驅(qū)動皮帶輪轉(zhuǎn)動，將橫向排好的5張硅片傳送到工藝機。當(dāng)橫向傳送組件排好硅片以后，通過氣缸向下的動作，硅片落到縱向傳送組件上?？v向傳送組件先是將硅片快速傳送到工藝機交接口，然后再進行慢速對接，直到硅片完全傳送進工藝機臺。

該周期分為兩個階段，第一階段是快速傳送到工藝機對接口，速度V1=10 r/s，加速度a=60 r2/s，行程S1=900 mm，第二階段是跟工藝機對接，行程S2=200 mm，速度為V2=3.8 m/min=0.67 r/s。

按照上述方法，計算出第一階段所用時間T1=1.11 s，第二階段所用時間T2=3.16 s，總共用時約4.27 s。

根據(jù)上述所得可知，縱向傳送組件將硅片完全傳送至工藝機所需的時間是4.27 s，PSG上料設(shè)備一共有2個縱向傳送組件，由此可以得出該周期產(chǎn)能為：

由3個周期分別求得的產(chǎn)能數(shù)據(jù)可知，3個周期中縱向傳送部分產(chǎn)能最低，嚴(yán)重影響了設(shè)備的性能指標(biāo)，是該設(shè)備的瓶頸所在，而縱向傳送所用的時間中，第二階段雖然距離較短，但是時間卻占比很高，浪費了大量的時間。如果能夠通過改進縱向傳送組件，優(yōu)化送片流程，縮短縱向傳送的時間，設(shè)備產(chǎn)能將會大幅提高，因此，我們將縱向傳送組件重新進行了設(shè)計優(yōu)化。

2 改進后的結(jié)構(gòu)分析

因為改進前的縱向傳送組件是由一段電機驅(qū)動，硅片在傳送至工藝機對接處時必須與工藝機保持一致的速度，而在對接傳送的這段時間內(nèi)，橫傳組件上排好的硅片只能等交接口的硅片完全上了工藝機，才能進行下一步動作。因此考慮將縱向傳送組件拆分成兩段皮帶傳送。當(dāng)橫傳上的硅片排好時，硅片迅速被傳送到第二段皮帶，然后第二段皮帶將硅片慢速傳送到工藝機，而第一段皮帶此時可以傳送橫向傳送組件上再次排好的硅片，不會因為硅片沒有進入工藝機而等待。這樣硅片在與工藝機對接時，不會影響橫向排好的硅片縱向傳輸。改進前后的縱向傳送組件如圖3、圖4所示。

圖3 改進前

圖4 改進后

由改進后的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)交接口有硅片正在傳送時，橫傳的硅片可以傳送至等待位，等交接口的硅片完全進入工藝機后，等待位的硅片迅速傳送到下一段皮帶，再進行慢速傳送。所以，改進后的結(jié)構(gòu)在計算產(chǎn)能周期時，只有第一階段所用的時間。當(dāng)硅片無需在等待位停留，直接傳送到第二段皮帶，這種狀態(tài)下設(shè)備達到最高產(chǎn)能。因此，計算改進后縱向傳送周期為T=1.04 s，產(chǎn)能為：

通過計算可以看出，改進后縱向傳送周期大幅縮短，該過程的最大產(chǎn)能可以達到34 615片/h，遠大于前兩個周期的最大產(chǎn)能。由此可見，該過程已經(jīng)不是限制整個設(shè)備產(chǎn)能的主要環(huán)節(jié)。

3 改進前后設(shè)備產(chǎn)能對比

由改進后縱向傳送的產(chǎn)能數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的縱向傳送組件已經(jīng)不是設(shè)備產(chǎn)能的瓶頸所在，升降出片成為設(shè)備新的產(chǎn)能瓶頸。因此，該設(shè)備的最終產(chǎn)能為12 631片/h，改進后較改進前的產(chǎn)能大幅提升了約49.8%。改進后的設(shè)備在某光伏企業(yè)得到應(yīng)用，實際量產(chǎn)產(chǎn)能在12 000片/h左右，減去故障停機時間，與理論產(chǎn)能數(shù)據(jù)基本吻合，理論得到實際驗證。實際生產(chǎn)現(xiàn)場改進后的設(shè)備照片如圖5所示。

圖5 改進后的設(shè)備實物照片

4 結(jié) 論

時間就是金錢，效率就是生命。隨著光伏行業(yè)發(fā)展，自動化設(shè)備競爭日益激烈，目前光伏行業(yè)設(shè)備已經(jīng)全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，而且各設(shè)備廠家都在想辦法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)能，提升設(shè)備性能指標(biāo)。如何提高設(shè)備穩(wěn)定性，降低碎片率，提高設(shè)備產(chǎn)能，成為設(shè)備廠家苦心鉆研的重點。通過將光伏行業(yè)PSG上料設(shè)備運行流程進行拆分，分析并計算出各個環(huán)節(jié)運行一個周期所用的時間，計算出各個環(huán)節(jié)的極限產(chǎn)能，找到了制約設(shè)備產(chǎn)能的瓶頸所在，并對其進行了設(shè)計優(yōu)化，改進后的設(shè)備產(chǎn)能大幅提升，在單位時間內(nèi)創(chuàng)造了更大的效益，降低了太陽能電池的生產(chǎn)成本，提高了該設(shè)備在行業(yè)內(nèi)的競爭力，推動行業(yè)向前發(fā)展。