基于大產(chǎn)能的管式PECVD設(shè)備推舟機(jī)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真研究

朱 輝，成秋云，李曄純，曾昭賢，龍 輝

(1.湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司，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

人類對(duì)能源安全的擔(dān)憂和對(duì)環(huán)境惡化的焦慮，使充分利用可再生能源成為全球共識(shí)。以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電成為新型電力系統(tǒng)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)[1]。太陽(yáng)能發(fā)電中，光伏發(fā)電的占比較高，而太陽(yáng)電池是光伏發(fā)電中將光能轉(zhuǎn)換成電能的主要器件。中國(guó)作為太陽(yáng)電池制造大國(guó)，其出貨量已連續(xù)多年保持全球第一。

表面鍍膜是太陽(yáng)電池制備過程中的重要環(huán)節(jié)，一般是在管式或板式PECVD設(shè)備上進(jìn)行[2]。由于管式PECVD設(shè)備的市場(chǎng)占有率較高，因此本文以此設(shè)備為例進(jìn)行分析。隨著光伏市場(chǎng)對(duì)降本增效需求的提高，管式PECVD設(shè)備的產(chǎn)能也在不斷提高，該設(shè)備中石墨舟的載玻片數(shù)量已由最開始的每舟304、416片提高到了現(xiàn)在的660片；而且硅片尺寸也由166 mm增至182 mm，甚至更大[3]。因此，石墨舟的尺寸越來越大，有的甚至做成雙舟推舟機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)大產(chǎn)能需求。但石墨舟尺寸越大、載玻片數(shù)量越多，其重量也就越重，導(dǎo)致推舟機(jī)構(gòu)的形變?cè)龃螅雇浦蹤C(jī)構(gòu)送舟或取舟時(shí)易出現(xiàn)與石英管觸碰的情況，造成石英管損壞或石墨舟掉片等。因此，推舟機(jī)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)迫在眉睫。本文對(duì)管式PECVD設(shè)備推舟機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，從而獲取大產(chǎn)能條件下各組成部件形變最小時(shí)的推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。

1 現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)采用單個(gè)懸臂梁的結(jié)構(gòu)，由固定座、光軸和碳化硅桿構(gòu)成，用于將載有表面鍍膜工藝前硅片的石墨舟放入反應(yīng)室，以及將載有工藝后硅片的石墨舟取出[4]。隨著對(duì)大產(chǎn)能的需求，現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)常搭載2個(gè)石墨舟，形成了雙舟推舟機(jī)構(gòu)，這樣一個(gè)反應(yīng)室可同時(shí)放入2個(gè)石墨舟以提高產(chǎn)能。雙舟推舟機(jī)構(gòu)的示意圖如圖1 所示[5]。

圖1 雙舟推舟機(jī)構(gòu)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of double boat pushing mechanism

現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)的固定座組件主要由推舟座加強(qiáng)筋、上加強(qiáng)筋、前挑板加強(qiáng)筋、外側(cè)橫向加強(qiáng)筋、抱緊塊及下夾塊等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)的固定座組件示意圖Fig. 2 Scheatic diagram of fixed seat assembly of existing push boat mechanism

2 現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到太陽(yáng)電池產(chǎn)能擴(kuò)大的需求及因現(xiàn)有石墨舟尺寸越來越大而造成的不良后果，需要對(duì)現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)各組成部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 固定座組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)固定座組件的光軸通過卡箍固定后不能再進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致無法補(bǔ)償碳化硅桿與反應(yīng)室爐體中心軸線的偏差，因此通過調(diào)節(jié)卡箍上的螺栓來調(diào)節(jié)光軸的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定座組件的優(yōu)化。優(yōu)化后的固定座組件如圖3所示。優(yōu)化后的固定座組件可以使光軸在水平方向±10 mm范圍內(nèi)移動(dòng)，用于補(bǔ)償碳化硅桿跟反應(yīng)室爐體中心軸線的微小偏差。

圖3 優(yōu)化后的固定座組件Fig. 3 Fixed seat assembly after optimization

在同等荷載條件下，對(duì)分別采用優(yōu)化前和優(yōu)化后固定座組件的推舟機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，以對(duì)比優(yōu)化前、后固定座組件的形變，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前、后固定座組件的形變仿真Fig. 4 Deformation simulation of fixed seat assembly before and after optimization

由圖4可知，優(yōu)化前、后固定座組件的最大形變分別約為0.35 mm和0.19 mm。由此可知，優(yōu)化后固定座組件的形變變小了，說明其結(jié)構(gòu)更優(yōu)，因此，后續(xù)優(yōu)化推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)時(shí)采用此固定座組件結(jié)構(gòu)。

2.2 碳化硅桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用ANSYS軟件對(duì)采用優(yōu)化后固定座組件的推舟機(jī)構(gòu)進(jìn)行載重實(shí)驗(yàn)的仿真，仿真時(shí)加載的重量為2個(gè)裝載有硅片的石墨舟，光軸及碳化硅桿均采用現(xiàn)有推舟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光軸直徑取102 mm，碳化硅桿直徑取55 mm、壁厚取5.5 mm。然后得到該情況下推舟機(jī)構(gòu)的形變情況，以確認(rèn)該情況下推舟機(jī)構(gòu)形變最大的組成部件。仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，推舟機(jī)構(gòu)中形變最大的部件是碳化硅桿，最大形變量約為36.5 mm；而光軸和固定座組件的形變均很小，基本可以忽略。因此，降低碳化硅桿的形變是優(yōu)化推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。

圖5 載重實(shí)驗(yàn)得到的推舟機(jī)構(gòu)形變仿真結(jié)果Fig. 5 Deformation simulation results of push boat mechanism obtained from load test

雖然可以通過大幅增加碳化硅桿的壁厚來降低其形變，但該方式將會(huì)導(dǎo)致碳化硅桿的質(zhì)量增加較大。因此，本文采用新增1根碳化硅桿作為輔桿的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新增輔桿的桿長(zhǎng)為原主桿長(zhǎng)度的一半。利用ANSYS軟件對(duì)采用優(yōu)化后固定座組件及增加碳化硅桿輔桿的推舟機(jī)構(gòu)再次進(jìn)行載重實(shí)驗(yàn)仿真，得到此情況下推舟機(jī)構(gòu)的形變情況，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 第2次載重實(shí)驗(yàn)得到的推舟機(jī)構(gòu)形變仿真結(jié)果Fig. 6 Deformation simulation results of push boat mechanism obtained from second load test

從圖6可以看出，雖然此情況下推舟機(jī)構(gòu)的最大形變依然出現(xiàn)在碳化硅桿，但其最大形變量已從之前的約36.5 mm降至約15.7 mm。這說明增加碳化硅桿輔桿對(duì)于優(yōu)化碳化硅桿結(jié)構(gòu)是有效的，有助于降低其形變量。

2.3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證ANSYS軟件仿真結(jié)果的可靠性，對(duì)采用優(yōu)化后固定座組件和增加碳化硅桿輔桿的推舟機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際的載重實(shí)驗(yàn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中推舟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置與仿真中均一致。推舟機(jī)構(gòu)的載重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 推舟機(jī)構(gòu)的載重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 7 Load test platform for push boat mechanism

進(jìn)行實(shí)際的載重實(shí)驗(yàn)后，使用游標(biāo)卡尺對(duì)推舟機(jī)構(gòu)的形變進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，推舟機(jī)構(gòu)的最大形變出現(xiàn)在碳化硅桿的末端，最大形變量為15.8 mm，該值與ANSYS軟件的仿真值15.7 mm接近，在允許的誤差范圍內(nèi)。因此，后續(xù)對(duì)推舟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析時(shí)仍可以采用此仿真方式。

3 推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)的確定

在確定推舟機(jī)構(gòu)采用優(yōu)化后固定座組件和新增碳化硅桿輔桿后，進(jìn)一步對(duì)光軸直徑、碳化硅桿直徑和碳化硅桿壁厚進(jìn)行研究。上文的仿真結(jié)果表明，推舟機(jī)構(gòu)的最大形變通常出現(xiàn)在碳化硅桿，因此，下文選取3組常用的光軸直徑、碳化硅桿直徑和碳化硅桿壁厚參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)碳化硅桿和光軸形變進(jìn)行仿真，以找到最佳的推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。通常，推舟機(jī)構(gòu)的最大形變需要控制在20 mm以內(nèi)，控制在15 mm以內(nèi)則為最佳結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)得到碳化硅桿和光軸形變結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在第3組參數(shù)設(shè)置下，碳化硅桿的形變量最小，為14.3 mm。由此可知，在采用優(yōu)化后固定座組件和新增碳化硅桿輔桿的基礎(chǔ)上，當(dāng)光軸直徑取102 mm、碳化硅桿直徑取55 mm、碳化硅桿壁厚取7.5 mm時(shí)，為最佳推舟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，可滿足大產(chǎn)能需求。

表1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)得到的碳化硅桿和光軸形變Table 1 Deformation results of silicon carbide rod and optical axis are obtained for different structural parameters

4 結(jié)論

本文通過對(duì)推舟機(jī)構(gòu)的固定座組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了光軸在水平方向±10 mm范圍內(nèi)調(diào)整，可以補(bǔ)償安裝過程中推舟機(jī)構(gòu)的碳化硅桿與反應(yīng)室爐體中心軸線間的偏差。為了解決大產(chǎn)能需求下石墨舟推舟機(jī)構(gòu)形變過大的問題，通過增加1根碳化硅桿輔桿的方式優(yōu)化了推舟機(jī)構(gòu)的碳化硅桿結(jié)構(gòu)，明顯改進(jìn)了推舟機(jī)構(gòu)形變大的問題，滿足了生產(chǎn)需求。通過仿真確定的大產(chǎn)能條件下推舟機(jī)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為：光軸直徑為102 mm、碳化硅桿直徑為55 mm、碳化硅桿壁厚為7.5 mm。以期本研究可為管式PECVD設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。