全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的設(shè)計

徐 兵，李 燕

(1.江蘇科技大學，鎮(zhèn)江 212000；2.浙江大學昆山創(chuàng)新中心，昆山215300)

0 引言

在光伏組件生產(chǎn)過程中，由于晶體硅或非晶硅太陽電池的內(nèi)阻較大，因此需要采用電路并聯(lián)的方式來降低光伏組件的內(nèi)阻，此時需要將太陽電池劃裂成多個小片，然后焊接成太陽電池串，由此可拼接成任意尺寸的光伏組件，且該方式的通用性好。光伏組件的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 光伏組件的生產(chǎn)工藝流程Fig. 1 Production process flow of PV modules

在劃裂太陽電池時，一般采用激光劃裂的方式。以太陽電池的激光劃裂技術(shù)為基礎(chǔ)，可以生產(chǎn)出不同尺寸、種類繁多的光伏組件產(chǎn)品，例如：半片光伏組件、尺寸為210 mm的太陽電池三分片光伏組件、多片疊瓦光伏組件、板塊互聯(lián)光伏組件、無縫焊接多主柵光伏組件等。由此可知，太陽電池的激光劃裂技術(shù)已成為光伏組件產(chǎn)品迭代升級不可或缺的工藝環(huán)節(jié)。

常規(guī)的太陽電池激光劃裂技術(shù)原理圖如圖2所示。常規(guī)技術(shù)是以電子放電作為供給能源，通過He、N2、CO2等混合氣體作為激發(fā)激光發(fā)射器發(fā)射激光的媒介，利用激光振鏡聚焦激光以形成激光光束，并通過改變激光光束的路徑使其照射到太陽電池上，此時激光光束的光能轉(zhuǎn)換為熱能，且其產(chǎn)生的熱量大幅超過被太陽電池反射、傳導或擴散的那部分熱量，導致太陽電池中被照射位置的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，從而使該位置被刺穿并形成小孔；由于激光光束與太陽電池是沿一定的相對線性軌跡移動，使這些小孔連起來形成切縫，從而在太陽電池上形成切割道，然后沿此切割道對太陽電池進行掰片。

圖2 常規(guī)的太陽電池激光劃裂技術(shù)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of conventional laser scribing technology for solar cells

由于沿著切割道對太陽電池掰片時，利用的是外界力，因此在太陽電池切割道處會有明顯的毛刺，如圖3所示。

圖3 太陽電池的切割道處有明顯的毛刺Fig. 3 There are obvious burrs on cutting line on solar cell

隨著太陽電池之間超小間距、大尺寸硅片和超低溫太陽電池等工藝的出現(xiàn)，常規(guī)的太陽電池激光劃裂技術(shù)已無法滿足光伏組件高質(zhì)量的需求。因此，無損傷激光劃裂機因需而生，且正推向太陽電池的主流市場，可解決常規(guī)激光劃裂設(shè)備不可避免地給太陽電池造成熱損傷的問題。

1 無損傷激光劃裂技術(shù)的原理

無損傷激光劃裂技術(shù)主要是利用激光誘發(fā)的熱應力來控制太陽電池斷裂的技術(shù)。該技術(shù)利用激光對太陽電池進行局部快速加熱，通常是使用近紅外頻率的激光光束。由于激光器功率和激光光斑尺寸與激光熱裂速度相關(guān)，若從經(jīng)濟效益的角度考慮，一般使用功率為500 W的激光器對太陽電池進行快速激光熱裂，激光熱裂速度設(shè)置在400～500 mm/s，當激光光斑直徑小于1 mm時，激光光斑內(nèi)部溫度一般不會超過200 ℃。由于無損傷激光劃裂技術(shù)會配備以純凈水作為冷卻介質(zhì)且可精確微調(diào)的噴水冷卻裝置對太陽電池進行局部冷卻，因此此時會在太陽電池表面產(chǎn)生一個不均勻的溫度場，該溫度場會使太陽電池表面形成溫度梯度，從而誘發(fā)產(chǎn)生熱應力。當激光光斑處于壓應力狀態(tài)，而激光光斑的斑點在太陽電池正面和背面處于拉應力狀態(tài)時，由于太陽電池是脆性材料，其抗壓剛度遠大于抗拉強度，當熱應力達到太陽電池的斷裂強度時，太陽電池會發(fā)生斷裂，且斷裂會隨著激光光斑及后續(xù)冷卻裝置的移動軌道而穩(wěn)定擴展；但無損傷激光劃裂技術(shù)的前提是先要在太陽電池邊緣加工一個超小槽口，如圖4所示，然后斷裂會從槽口開始并穩(wěn)定擴張。

圖4 在太陽電池邊緣加工的超小槽口Fig. 4 Ultra-small notches machined at the edge of solar cell

采用無損傷激光劃裂技術(shù)時，太陽電池斷裂面幾乎無毛刺與熱損傷，如圖5所示。

圖5 太陽電池斷裂面無毛刺與熱損傷Fig. 5 No burrs and heat damage on the broken surface of solar cell

2 全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的總體設(shè)計

基于無損傷激光劃裂技術(shù)，本文設(shè)計了一套全自動太陽電池無損傷激光劃裂機。

通過對市場上相關(guān)設(shè)備的參數(shù)進行研究，將本文所設(shè)計的全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的技術(shù)要求設(shè)定為：1)實現(xiàn)對現(xiàn)今市場上常見的不同規(guī)格的太陽電池的上料、檢測、激光熱裂加工、下料；2)產(chǎn)能達到3000片/h，激光熱裂精度達到±0.05 mm。

全自動太陽電池無損傷激光劃裂機主要由上料輸送系統(tǒng)、太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置、太陽電池旋轉(zhuǎn)上料裝置，視覺檢測系統(tǒng)、激光開槽模塊、激光熱裂工位模塊、旋轉(zhuǎn)下料(分片)機構(gòu)、烘干輸送裝置、光學檢測輸送系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)下料裝置、設(shè)備機架和設(shè)備控制系統(tǒng)等組。成全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的總體結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6 全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的總體結(jié)構(gòu)布局圖Fig. 6 Overall structure layout of fully automatic solar cell damage-free laser scribing equipment

該設(shè)備的上料輸送系統(tǒng)由料盒皮帶輸送線、風刀裝置、頂料裝置及料盒定位機構(gòu)等組成，可實現(xiàn)太陽電池的自動上料功能；為了減少設(shè)備運行時因機械振動導致的誤差，設(shè)備機架采用減振措施；設(shè)備控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對太陽電池的自動上下料、激光槽口切割、激光熱裂、視覺識別處理和太陽電池烘干等過程的控制。

全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的整體操作流程如圖7所示。

圖7 全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的整體操作流程圖Fig. 7 Overall operation process chart of fully automatic solar cell damage-free laser scribing equipment

該設(shè)備的整體操作流程為：裝滿太陽電池的料盒經(jīng)料盒皮帶輸送線傳遞到太陽電池頂料裝置所在位置時，料盒定位機構(gòu)開始動作，料盒皮帶輸送線停止動作，頂料裝置開始動作并頂起料盒中的太陽電池；太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置開始動作，并將吸取的太陽電池向下放置在視覺檢測系統(tǒng)的定位平臺上，由視覺檢測系統(tǒng)判斷太陽電池是否完好，檢測合格的太陽電池由太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置吸取，并向下放置在直驅(qū)(DD)馬達四工位旋轉(zhuǎn)裝置的上料位置處；當太陽電池被判斷為“不合格”(即“NG”)時，由太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置將NG太陽電池放進NG料盒中；判斷為“合格”的太陽電池由視覺檢測系統(tǒng)獲取其姿態(tài)坐標參數(shù)，然后激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)過激光振鏡后切割出太陽電池兩側(cè)的豁口；DD馬達四工位旋轉(zhuǎn)裝置將已豁口的太陽電池旋轉(zhuǎn)至激光熱裂工位模塊，激光發(fā)射器發(fā)射激光照射在太陽電池表面，形成溫度梯度，從而誘發(fā)產(chǎn)生熱應力，太陽電池沿豁口裂開；裂開的太陽電池可能會因為殘留冷卻水而需要進行烘干輸送，通過加熱來蒸發(fā)太陽電池表面的殘留水分；將烘干好的太陽電池輸送至下料區(qū)，旋轉(zhuǎn)下料裝置將太陽電池放置在下料盒中。

2.1 設(shè)備的硬件設(shè)計

2.1.1 太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置的設(shè)計

太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置用于吸取料盒皮帶輸送線上被太陽電池頂料裝置頂起的太陽電池，并放置在下一道工序的位置，其3D模型圖如圖8所示。

圖8 太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置的3D模型圖Fig. 8 3D model picture of solar cell four-jaw rotary feeding device

太陽電池四爪旋轉(zhuǎn)上料裝置由伺服電機、電缸、中空旋轉(zhuǎn)平臺、旋轉(zhuǎn)四工位吸盤機構(gòu)組成，其中，伺服電機、電缸及中空旋轉(zhuǎn)平臺為其驅(qū)動裝置；該上料裝置通過可編程邏輯控制器(PLC)進行控制，PLC通信模塊會將各個驅(qū)動裝置的位置信息反饋給工控機，從而實現(xiàn)太陽電池的全自動上料。

2.1.2 激光熱裂工位模塊的設(shè)計

激光熱裂工位模塊的3D模型圖如圖9所示，其由視覺檢測系統(tǒng)、激光器、冷卻裝置和標準型絲桿滑臺模組工作平臺組成。

圖9 激光熱裂工位模塊的3D模型圖Fig. 9 3D model picture of laser thermal cracking station module

激光熱裂工位模塊可實現(xiàn)太陽電池圖像信息的采集，能計算生成激光熱裂軌跡，絲桿滑臺模組可通過不同的伺服運動實現(xiàn)激光熱裂軌跡的切換，從而精確完成太陽電池連續(xù)的激光熱裂加工。標準型絲桿滑臺模組工作平臺的伺服運動由PLC進行控制，PLC通信模塊將該模組工作平臺的位置信息反饋給工控機，從而實現(xiàn)太陽電池的激光熱裂。

2.1.3 烘干輸送裝置的設(shè)計

烘干輸送裝置的3D模型圖如圖10所示，其由耐高溫皮帶、減速機、伺服電機、真空加熱板、加熱棒、熱電偶等組成。

圖10 烘干輸送裝置的3D模型圖Fig. 10 3D model picture of drying conveyor device

通過PID控制器(其可按偏差比例P、積分I和微分D進行控制)可實現(xiàn)烘干輸送裝置溫度的區(qū)域性控制，可滿足不同規(guī)格太陽電池殘留水分的烘干需求。伺服電機是烘干輸送裝置的驅(qū)動裝置，通過PLC進行控制，PLC通信模塊會將太陽電池的位置信息反饋給工控機，從而實現(xiàn)太陽電池的烘干。

2.2 設(shè)備的軟件設(shè)計

2.2.1 視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計

視覺檢測系統(tǒng)是通過電荷耦合器件(CCD)相機采集待加工的太陽電池的完整圖像信息，經(jīng)過相應的圖像算法對采集的太陽電池圖像信息進行濾波降噪、太陽電池位姿檢測與定位，然后經(jīng)設(shè)備軟件計算后生成程序，通過PLC控制激光熱裂工位模塊的伺服運動，以及通過控制激光振鏡來控制激光切割太陽電池豁口，從而完成太陽電池的激光切豁口與激光熱裂加工。視覺檢測系統(tǒng)的檢測原理如圖11所示。

圖11 視覺檢測系統(tǒng)的檢測原理Fig. 11 Inspection principle of visual inspection system

2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

全自動太陽電池無損傷激光劃裂機的控制系統(tǒng)采用“工控機+運動控制器+PLC”的控制架構(gòu)，并采用模塊化設(shè)計。控制系統(tǒng)由主控單元、伺服控制單元、PLC通信模塊等模塊組成，其框架圖如圖12所示。

圖12 控制系統(tǒng)的框架圖Fig. 12 Frame diagram of control system

1) 主控單元主要由人機界面和工控機組成，可實現(xiàn)設(shè)備工作過程的可視化，能顯示設(shè)備動態(tài)過程中的參數(shù)，方便操作人員操作設(shè)備；通過存儲和下載相應程序與參數(shù)，能方便對各種規(guī)格的太陽電池進行加工與切換。工控機通過以太網(wǎng)與視覺檢測系統(tǒng)通信，實現(xiàn)CCD相機對待檢測工位上太陽電池圖像信息的實時采集；同時，與激光發(fā)射器、運動控制器的通信可實現(xiàn)對激光功率、頻率等參數(shù)的控制。

2)伺服控制單元由伺服電機與伺服驅(qū)動器組成，激光熱裂工位模塊中標準型絲桿滑臺模組工作平臺的運動采用“伺服電機控制+光電傳感器反饋”的方式形成半閉環(huán)式位置伺服控制。采用位置伺服控制，通過建立標準型絲桿滑臺模組工作平臺，完成激光熱裂工位的快速切換。

3)通過PLC通信模塊實現(xiàn)與工控機的實時通信，通過PLC通信模塊的輸入/輸出信號模塊實現(xiàn)其與外部器件的I/O邏輯控制，如氣缸磁性開關(guān)、運動模塊接近開關(guān)等傳感器信號的接收，以及氣動系統(tǒng)中電磁閥、真空一體閥等的控制，也可實現(xiàn)對設(shè)備工作過程的控制和設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測。

3 無損傷激光劃裂技術(shù)的瓶頸

由于無損傷激光劃裂技術(shù)是近幾年才興起的技術(shù)，尚未成熟，還存在一些技術(shù)瓶頸，比如激光劃裂不到位、裂片產(chǎn)能不高等。造成以上情況的原因包括：設(shè)備配套的冷卻裝置一般是以冷卻水噴灑到太陽電池加熱區(qū)域附近，產(chǎn)生的溫度梯度有時不明顯，導致太陽電池裂片不到位；冷卻水殘留在太陽電池表面，需要進行相應的加熱來蒸發(fā)殘留的冷卻水，耗時較多，會影響太陽電池裂片的產(chǎn)能。

4 結(jié)論

本文針對無損傷激光劃裂技術(shù)，設(shè)計了一套全自動太陽電池無損傷激光劃裂機。該設(shè)備通過視覺檢測系統(tǒng)獲取太陽電池的切割路徑，然后通過工控機、運動控制器和PLC 通信模塊，實現(xiàn)太陽電池的自動上下料、DD馬達四工位旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)、太陽電池激光豁口切割及激光熱裂等功能。由于無損傷激光劃裂技術(shù)相對于常規(guī)激光劃裂技術(shù)而言，具有較多技術(shù)優(yōu)勢，無損傷激光技術(shù)將成為劃裂太陽電池的發(fā)展趨勢，在不久的將來該技術(shù)將主導太陽電池劃裂市場。隨著無損傷激光劃裂技術(shù)的成熟，全自動太陽電池無損傷激光劃裂機將在未來廣泛應用于光伏產(chǎn)業(yè)。