真空系统在硅电池焊接工艺中的优化应用

王翼伦，张福家

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

真空系统在硅电池焊接工艺中的优化应用

王翼伦，张福家

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

简述了硅电池焊接设备中的真空系统原理及结构，讲解了真空系统对硅电池焊接工艺的影响因素，提出了优化真空系统的技术途径，并介绍了验证效果。

硅电池；焊接工艺；真空系统

在硅电池组件焊接领域，真空系统主要应用于硅电池片的定位和抓取，硅电池片薄而脆，非常容易碎裂，因此，在大规模生产中，真空系统的工艺性能及可维修性直接影响光伏组件的批量生产质量。

1　硅电池焊接工艺中抽真空系统原理及结构

在硅电池焊接领域，抽真空系统应用主要有三种情况：

（1）硅电池的抓取。如图1所示，采用三个扁平圆锥状橡胶吸嘴，吸嘴底部是真空泵的密封管，工作时通过密封管泵出吸取嘴内的空气，使吸嘴牢牢吸附于硅电池表面，从而进行硅电池搬运、传递、放下操作；

（2）硅电池、硅电池串的定位：钢带传输硅电池片，钢带中间有气孔，提供真空吸力，将硅电池片、焊带压座吸附在钢带上，以防硅电池片、焊带相对位移，随着钢带移动到焊接温度场，从而完成焊接过程，如图2；

图1　硅电池抓取

图2　硅电池、硅电池串的定位

（3）硅电池串的抓取。采用10～12个扁平圆锥状橡胶吸盘，吸盘底部是真空泵的密封管，工作时通过密封管泵出吸盘内的空气使吸嘴牢牢吸附于硅电池片表面，从而进行电池串搬运、传递、放下操作，如图3。

图3　硅电池串的抓取

2　真空系统在硅电池焊接工艺中存在的问题

在硅电池片的抓取中，图1结构及控制必须稳定可靠地抓取硅电池片，并平稳放下硅电池片，在实际应用中，会出现压力过大，吸破硅电池现象，也会出现压力过小，吸附力不够，硅电池片摔破的现象。

在硅电池片及硅电池串的定位中，图2结构需提供连续真空吸力，以保证硅电池片、焊带、钢带、焊带压座相对固定，以便保证精准焊接，在实际应用中，焊带与硅电池片电极会产生一定错位，有时会出现较大偏差，出现“露白”。

在硅电池串的抓取中，图3结构需提供连续多点稳定的真空吸力，以保证硅电池串的每片硅电池能够稳定地吸附于吸嘴并快速搬运到光伏玻璃上，在实际应用中，会出现电池串坠落、硅电池吸破等现象。

在设备的最初设计上，考虑到设备可靠性，三种抽真空系统主要采用进口部件，随着设备运行时间长期化，真空系统的维护需要的进口零部件缺乏反而延长了设备故障的停产时间，在大规模自动化生产条件下，需要做到“万无一失”，才不至于造成明显的成本及质量风险，整套真空系统进行技术优化势在必行。

3　真空系统的优化措施

3.1真空系统的集中式优化

由于采用集中式真空系统，能够节约能源，有效避免单独真空系统带来故障，提高系统设备的可靠性和时效性，并实现主要设备部件国产化。系统采用以真空泵为真空发生装置的并联多路真空系统，真空泵的吸入口直接形成负压，真空管路与多台真空吸附夹具相接，真空系统原理图见图4，真空供应电磁阀通电后气控换向阀左端进气，当吸稳硅材料后，真空度达到真空压力开关所设定的压力时，则发出电信号，进行后到工序。当真空破坏电磁阀通电后，压缩空气经真空破坏电磁阀、真空过滤器和真空吸取口进入真空吸附夹具，迅速消除真空，释放硅材料。

3.2真空稳压技术优化

为保持硅电池焊接设备整体真空度的稳定性，采用控制办法为：一方面在主真空回路的抽气口串入真空调压阀，通过对真空调压阀的控制来保持真空度的稳定，另一方面在真空支路上采用流量控制器反锁控制，对进气量进行调节达到稳定真空度，减少多个真空支路相互间的影响，同时主真空回路中间加真空平衡罐，如图5。

图4　真空系统原理图

图5　真空稳压系统

采用变频型真空泵和膜片型真空压调节器；在硅电池焊接工艺设备工作过程的大多数时间，实际上只需要使用真空泵容量的一部分。随着真空泵容量需求量的变化，用变频型真空泵调整真空泵的速度使其匹配空气流动量要求，维持真空压稳定。膜片型真空压调节器控制精度高，采用非常灵敏的真空感应阀与膜片上主阀相连并进行控制调节。

真空压调节器、真空压感应器安装在真空平衡罐和分离罐之间，安装位置靠近分离罐，以便能精确检测到接收罐内的真空压波动。为了避免真空压调节器故障导致真空压剧烈上升，对原材料及设备本身都会造成危险，在靠近真空泵位置除了安装真空压调节器外，补装一个泄压阀，在系统真空压异常增加时，泄压阀将自动开启，达到自动泄压效果。

为了让真空压调节器在设备运行期间维持系统真空压稳定，从接收罐至真空压调节器之间的摩擦力保持最小，真空泵就能在越低的真空压水平下运行，同时，其容量也会更大，消耗能量更少。在设计上保持主空气管道越短，直径越大，弯头管和零件越少，内表面越光滑干净，摩擦力就会越小；拦截器安装在真空泵和真空调节器之间，拦截由分离罐逃逸的液体，过滤进入真空泵的空气，避免真空泵过度磨损。

3.3真空系统保养及环境优化

真空压调节器内有运动部件，变脏后会因摩擦而降低其灵敏性，所以真空压调节器必须安装在干净、干燥位置，并定期清理或定期更换膜片，其最大调节容量高于真空泵容量20%；在真空泵进行更换时，真空压调节器也需同时进行相应更换。

空气过滤器需定期保养清洗以确保空气流动无阻，从而避免真空泵过度磨损。

为防止硅片碎屑及空气灰尘等意外进入主空气管道造成污染和增加摩擦力，在分离罐、真空压平衡罐、拦截器或空气过滤器等位置设置自动排流装置进行自动排放。

加强真空泵通风散热，保持真空泵排气畅通，防止挥发物倒流，改善泵油性能，提高真空泵极限真空。

4　优化效果验证

通过对硅电池焊接设备真空系统优化后，我们进行了对比测试，正常稳定运行情况下，真空压稳定在40 kPa。如图6所示，当电池片、电池串或焊带脱落时，真空压会下降。真空压马上稳定在39 kPa，当各真空支路全部停止运行，真空压上升，但立即稳定在41 kPa，真空压波动范围±2 kPa，真空压稳定性较理想；同时，系统因真空压不稳造成的电池碎片由改造前的1.5‰降低到0.6‰，设备运行质量及成本降低效果明显提升。

图6　真空压测试曲线图

5　结束语

在确定优化技术方案前，反复进行了调研、验证，由于真空泵系统复杂，元器件种类多，重新铺设真空系统造价较高，因而采用了原有三条独立真空系统中的一条进行了技术环节完善及真空供气集成，减少了优化成本；优化后的真空泵系统的最大真空度可达8 kPa，真空的吸入流量很大，安装维护方便，可靠性高，减少车间工厂的改造费，具有较好的经济效率。

[1]陈凡，周继.真空系统的改进设计[J].液压与气动，2002，(10)：42-44.

[2]时圣勇.射流式真空发生器[J].液压与气动，1991，(2)：35-37.

Optimization Application on Vacuum Systemin Silicon Cell Welding Technology

WANG Yilun，ZHANG Fujia
(The 48thResearch Insititute of CETC，Changsha 410006，China)

This paper introduces the principle and structure of vacuum system in silicon cell welding technology，and explains the factors affecting welding technology.Several technical ways to improve the welding process quality are proposed.And the verification results are introduced.

Silicon cell；Welding technology；Vacuum system

TB79

A

1004-4507(2016)11-0022-04

2016-10-25

王翼伦（1973-），男，湖南祁东人，工程师，主要从事太阳能电池组件工艺研究。

张福家（1971-），男，湖南衡山人，高级工程师，主要从事太阳能电池组件工艺研究。