基于創新方法的光伏電池焊點斷裂分析與改進

吳貴軍　國秀麗　張運真

（安陽工學院機械工程學院，河南　安陽　455000）

基于創新方法的光伏電池焊點斷裂分析與改進

吳貴軍國秀麗張運真

（安陽工學院機械工程學院，河南安陽455000）

結合我國光伏電池的應用每年都以較高的速度增長的情況，引入創新方法對光伏電池焊點斷裂原因進行分析，發現是因溫度變化引起內部組件變形量不一致所致。因此，定義了技術矛盾，利用TRIZ理論中的矛盾矩陣進行求解，提出光伏電池壓緊機構的解決方案，通過數據計算及利用軟件變形量分析，該方案切實可行。關鍵詞：創新方法；光伏電池；焊點斷裂

近幾年，隨著現代工業的不斷發展與擴張，人均汽車保有量的增加，我國大氣污染觸目驚心，2014年石家莊高達264d，北京污染天數為175d，如今在中國每年因大氣污染過早死亡的人數有50萬人之多，一方面大氣污染問題日益突出，另一方面全球能源危機日益顯現。而太陽能作為理想的可再生能源受到了許多國家的重視。2013年年底，全國22個主要省（自治區直轄市）已累計并網741個大型光伏發電項目，全年累計發電量達90億kW·h［1］。國家能源局日前公布的數據顯示，2014年我國光伏發電累計并網裝機容量2 805萬kW，同比增長60%。其中，光伏電站2 338萬kW，分布式467萬kW，光伏年發電量約250億kW·h。而在國內某公司2012年為印度建設80MW光伏裝機容量，使用約0.5a的時間出現了光伏電池電流明顯減弱、電壓低、不發電等現象，面臨巨額賠款，如何找出其中原因、分析解決問題成為該企業生存發展的關鍵，而采用創新方法無疑是解決該問題的重要手段。

1　創新方法

在設計中應用創新方法將有助于設計者高效、創新地解決問題［2］。作為專門研究創新設計方法的TRIZ理論已建立起一系列的具有普通實用性的工具，幫助設計者盡快獲得滿意的最終解。由前蘇聯根里奇·阿奇舒勒及其領導的一批研究人員，自1946年開始，花費1 500人/a的時間，在分析250萬件專利的基礎上，研究與歸納人類在進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理與法則后建立的。其內容廣泛，總結為：①8大技術系統進化法則；②IFR最終理想解；③40個發明原理；④39個通用工程參數和阿奇舒勒矛盾矩陣；⑤物理矛盾和分離原理；⑥物-場模型分析；⑦76個標準解法；⑧ARIZ發明問題解決算法；⑨科學原理效應庫［3］。

2　問題分析

光伏電池是由上下光伏電池片與其兩側的EVA膠膜、頂層的鋼化玻璃、底層的TPT襯板封裝而成，電池焊點斷裂在我國發生概率很小，且該出口公司從原材料、加工、焊接、封裝過程與其在國內銷售的光伏電池無明顯差異，出口到印度的該批次產品怎么會出現如此嚴重的問題，這里采用創新方法中的5個為什么對該問題進行追根溯源：①為什么會出現焊點斷裂呢；②焊點出現斷裂是由于焊接點處的抗拉強度不足，為什么會在焊點出現拉力呢；③焊接點出現拉力是由于EVA膠膜的牽引所致，為什么會出現EVA膠膜的對焊點的牽引力呢；④EVA膠膜的對焊點的牽引力是由于其形變量與光伏電池片變形量不一致，為什么會出現變形呢；⑤印度晝夜溫差大，冬季最低氣溫按-30℃，夏季最高氣溫50℃，溫差達到80℃，EVA膠膜的熱變形量遠遠大于光伏電池片的熱變形量。

至此，晝夜溫差大是產生焊點斷裂的根本原因，環境溫度變化是自然界的規律，而光伏電池需要完全暴露在室外環境中，如何解決該問題，可以采用TRIZ理論進行求解：環境溫度變化，使光伏電池焊點處受到拉力牽引，導致光伏電池可靠性降低，改善上述問題可能使光伏電池的適應性降低，復雜程度提高。

上述問題用39個通用技術參數就可表示成：需要改善的參數是溫度與產生的惡化參數是適應性之間的矛盾；需要改善的參數是力、可靠性與產生的惡化參數是系統復雜性三者之間的矛盾，產生的矛盾矩陣如表1所示。

表1　光伏電池焊點斷裂的矛盾矩陣

根據表1的矛盾矩陣，方案一產生推薦的發明原理是：1分割原理；2抽取原理；10預先作用原理；13反向作用原理；18機械振動原理；26復制原理；27廉價替代品原理；35物理或化學參數改變原理。矛盾矩陣中推薦了8項發明原理，給出了問題可能的有效解法，嘗試采用10預先作用原理，對焊點出加以保護，防止其受到拉力的牽引。通過實驗對光伏電池焊接點處壓力在5.0～6.5kg時不會壓碎鋼化玻璃，環境溫度在-30～50℃之間變化時，焊點拉力變化微小，不會造成斷裂。設計出如圖1所示的壓緊機構。

圖1　光伏電池焊點壓緊機構

3　光伏電池壓緊機構可行性分析

使用該壓緊機構在溫度變化時其本身同樣受環境溫度影響變形，導致其對光伏電池焊點壓緊力發生變化，其可行性需要進一步驗證。光伏壓緊機構各部分尺寸如圖2所示。

圖2　光伏電池壓緊機構各部分尺寸

溫差80℃條件下，光伏電池壓緊機構各部分熱變形量如表2所示，電池片、TPT襯板較薄，計算時予以忽略。

熱變形量計算公式：△L=α·L·△T

式中：△L為變形量，α為膨脹系數，L為零件尺寸，△T為溫度變化量。

壓緊支架中間零部件及玻璃總變形量差值為：

0.00448+0.005 57+0.002 40+0.002 88+0.001 63

=0.016 96mm

表2　光伏電池壓緊機構熱變形

由于受熱膨脹，壓緊支架的放松量為：

0.02227-0.016 96=0.005 31mm

使用三維軟件對壓緊支架進行建模，為簡化模型將螺栓下方外伸部分作為壓緊支架的外伸圓柱，進行有限元分析，圓柱底端受到5kg（50N）反作用力時壓緊支架變形量如圖3所示。圓柱底端受力6.5kg（65N）的力時壓緊支架變形量如圖4所示。

圖3　5kg（50N）的力情況下變形量

圖4　6.5kg（65N）的力情況下變形量

從圖3、4中可以看出，壓力在5kg時壓緊支架上螺栓底端變形量接近0.018 96mm，6.5kg時變形量接近0.024 65mm，之間的變化量為0.005 69mm，所以壓緊支架壓力在6.5kg到5kg之間變化時，可以補償壓緊支架的放松量0.005 31。即在冬季溫度低至-30℃時，安裝需要在6.5kg壓緊力的情況下進行，夏季溫度高至50℃時壓緊力5kg條件下進行安裝，其他溫度進行安裝作業時可以采用線性插值的方式進行壓緊力的近似計算。

在壓力6.5kg時，最大應力為16.56MPa，屈服應力為95.00MPa，所以壓緊支架安全（見圖5）。該方案在印度光伏電池板上得到了應用，時至今日，光伏電池極少出現焊點斷裂的現象。

圖5　6.5kg（65N）壓力情況應力云圖

4　結語

我國作為能源使用大國，大氣污染日益惡化，批量使用太陽能發電這一潔凈能源是未來發展的一個趨勢，如何創新現有技術，解決關鍵難題是該行業需要重視的問題，出口到印度一批次光伏電池出現電壓低、電流弱等現象，引入創新方法中的5個為什么對該問題進行因果分析，得出由于環境溫差較大導致其內部組件熱變形量不一致，使光伏電池焊點受到EVA膠膜的牽引發生斷裂的結論，轉化為TRI矛盾矩陣理論，根據推薦原理設計出光伏電池焊點壓緊機構，同時對該壓緊機構進行熱變形量計算，并利用三維軟件對該機構受力變形進行了模擬運算，計算出受力變形量可以抵消該機構的熱變形量，該方案在生產中得到了應用。

［1］李雷，郭焱，王通勝，等.中國光伏產業現狀與前景分析［J］.中外能源，2014（10）：25-30.

［2］尚萬，趙武，曾杰，等.基于TRIZ的在役管道腐蝕檢測裝置創新設計［J］.機械工程與自動化，2015（1）：93-94，97.

［3］彭慧娟，成思源，李蘇洋，等.TRIZ的理論體系研究綜述［J］.機械設計與制造，2013（10）：270-272.

Analysis and Improvement of Photovoltaic Cells Based on Innovative Methods of Solder Joint Fracture

Wu GuijunGuo XiuliZhang Yunzhen
（School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000）

Combined with the application of photovoltaic cells in our country every year to a higher rate of growth，the reasons for the fracture of the solder joints of photovoltaic cells were analyzed by introducing innovative methods，it was found that the deformation of the internal components caused by temperature change was not consistent.Therefore，the technical contradiction was defined，and the contradiction matrix of TRIZ theory was used to solve the problem，the solution to pressing mechanism of photovoltaic cells was proposed.The program was feasible through the data calculation and deformation analysis by using the software. Keywords:innovative approach；photovoltaic cells；solder joint fracture

TM914

A

1003-5168（2016）05-0126-03

2016-04-21

吳貴軍（1980-），男，講師，研究方向：創新方法的教學及研究。