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用于PV面板划线操作的移动平台

时间：2010-7-19 09:17作者：update 阅读(1712) 评论: 0

导读：随着材料研究的不断进展，可以在多种衬底上完成薄膜沉积，而第二代太阳能电池正受益于这些进展。采用新材料可以获得更高的转换效率，而更低的衬底价格则保证了更低的制造成本。

随着材料研究的不断进展，可以在多种衬底上完成薄膜沉积，而第二代太阳能电池正受益于这些进展。采用新材料可以获得更高的转换效率，而更低的衬底价格则保证了更低的制造成本。由于上述转换效率和成本的原因，在PV制造领域，薄膜方法变得越来越普遍。第三代电池则会继续沿用薄膜技术，并有希望获得更高的转换效率以及更低的制造成本。在与当前的非可再生能源竞争中，如果太阳能想要具有成本竞争力，那么这种持续的改进是必不可少的。

在将清洁、可再生能源的价格推进到与传统电网价格持平的过程中，光伏（PV）制造商需要具有极高吞吐率的制造系统，并可以保持尽可能高的持续运转时间。其中一项可以通过提高吞吐率降低成本的关键工艺设备是划线平台。如果想获得最低拥有成本的划线系统，那么必须仔细研究关键技术，并选择出熟悉该项技术的合作伙伴。

划线方法

基本的薄膜制造工艺依赖于我们熟知的划线操作。在完成了各种薄膜的沉积后，采用面板划线操作选择性地将材料从电导通或电绝缘的区域去除。由于划线工艺非常关键，因此需要严格控制以保证最终面板的性能。

目前用于划线工艺的有两种方法——机械和激光划线。每种方法都有其特有的优势，但也存在各自的挑战。机械划线对薄膜材料的依赖性不像激光方法那么强，但其吞吐率和划线质量相对较差。激光方法在这两方面领先，但只能用于部分薄膜材料。但无论哪种方法，都需要采用可移动的划线平台与之配合，而且平台的选择对实现高吞吐率非常重要。

系统级方法

想要开发出优秀的太阳能面板划线方案，最好的方法是将划线平台作为整体进行考虑。如果仅仅将注意力集中在主扫描轴上，那么只能看到全部问题的一部分。确实，扫描轴的动态轴向运动保持能力、峰值加速能力以及峰值速度都非常重要，但其他设计要素对划线结果也会产生影响。对机台的装配/振动隔离、划线轴的配置和设计、卡盘设计以及运动控制器都会影响最终性能和吞吐率。如果上述因素不能得到妥善考虑，那么系统很可能会出现如下问题：

加速引起机台的移动，将会影响划线工具的动态轴向运动及其重复性，那最终会影响划线的笔直程度和平行性。

如果未将划线头的数目最大化，那么将会增大操作时间和扫描轴的负载循环，最终会降低划线工具的寿命。

如果电机的尺寸未能按照移动块的质量和吞吐率模型进行优化，那么在扫描工具上过重的移动块会影响其峰值加速度。

可能会选用未经过吞吐量优化的低性能运动控制器。

未能将操作对象与运动轴配置进行匹配处理（例如XY轴、分节轴或机架型设备）。

图1. XY轴、分节轴和机架型太阳能面板划线方案。

主要特色

在目前的量产PV划线工艺中，分节轴方案已经是最普遍的选择，因此在本文中，我们将详细讨论该方案。

高吞吐率面板划线系统的主要特点是可以用多头控制轴安装机械或激光划线头。图2所示为典型的多头设计。该配置可以使用四个或者更多的划线头，由于缩短了划线过程中划线头的移动距离（与划线头数目成反比），因此可以获得更高的吞吐率。降低了移动距离直接关系到吞吐率的提升，并且也成比例提高了系统的寿命。需要指出的是，要顺利地实施多划线头方案，需要运动控制器可以独立地指挥各个移动轴，并且对激光划线头来说，需要同时触发所有激光。想要解决这些问题，则需要选择出合适的合作伙伴，共同设计移动平台并将控制、驱动、激光、可动轴和机台基座等部分集成在一起。

在一个高效的多头设计中，关键之处在于采用全订制的Z轴，这样可以精确地获得所需要的运行高度，得到最高效率。直接驱动或者球状螺丝Z轴平台都可以满足上述要求，但载荷及定位要求将成为决定性的因素。这些移动轴需要具有可调整的负载范围，不仅可以集成激光划线头，还可以负载摄像头和其他可用于提高划线效率的元件。

图2. 在分节轴面板划线系统上的多头（多步）划线轴。

直接驱动

对于划线工具的主扫描轴来说，出于很多原因，直接驱动线性马达几乎是唯一的解决方案。例如对24/7操作的高负载应用来说，需要非接触式驱动机制以降低磨损和可靠性问题。其他像球状螺丝这样的驱动机制要么不能提供足够的吞吐率，要么会在高负载中迅速磨损。线性马达内在的非接触模式还意味着可以实现精确地动态运动、很高的运动速度和很长的安全运行周期。

可以将线性马达叠层在一起，获得高加速度所需的较大的力。图3所示的设计采用了多个线性马达的平行叠层，可以为30到40 kg的负载提供5 g的加速度。这些马达的输出力可以通过快速减速和再加速来降低操作间的等待时间，其完全扫描速度可达2.5 m/s。

图3. 高性能、直接驱动划线轴，采用了独立的步进轴（未示出）实现高吞吐率、分节轴系统。

采用线性马达的一个挑战是如何保护马达不受划线过程中产生残渣的影响。可以通过创造性的机械设计来克服这一问题。将线性马达和其他部件放置在残渣可以达到的范围之外。图3的例子中，线性马达被其上面长的水平结构所保护，这降低了将马达暴露在工艺残渣中的几率。

如果使用得当，线性马达技术可为划线平台提供极高的吞吐率。举例来说，一家顶级的太阳能面板生产商采用了Aerotech装置了直接驱动线性马达的SolarScribe平台之后，其吞吐率提高了300%。一般来说，单一高吞吐率划线工具装配了Aerotech的线性马达后，可以取代三台或更多的标准划线平台，并且更节省时间、金钱以及制造商的厂房空间。

散热管理

由于加速度和负载周期都很高，PV划线操作需要在线性马达驱动系统中一直维持很高的电流。大电流会产生大量的发热，将会影响设备的精确性和生命周期。为了尽量延长马达的寿命，在这种应用中系统必须采用散热管理技术。一个快速并有效的方案是采用配备空冷的线性马达，该方案为线圈提供持续的空气流来降低操作温度。

除了主动冷却马达外，也可以一直监控马达的温度。典型的配置需要可以连接到系统控制器，可以提供实时马达温度数据的热感应器件。如果线圈温度过高而无法继续安全运行时，这些信息可以输送到控制器，将系统关闭。这可以防止错误操作，有助于提高设备的寿命，并可用于调整系统参数来优化吞吐率和设备寿命。主动冷却和热感应方法都可以延长系统的寿命。

动态性能

除了可以提供很高的速度和加速度外，马达平台还必须具有很高的动态特性。尽管所有的系统级和性能参数都可以被动态测试，但对PV面板划线应用来说，扫描轴的动态轴向保持能力和重复性特别重要。

动态轴向保持运动能力和重复性表示在与主扫描轴的垂直方向上出现的误差运动，以及多次往复扫描的可重复性。动态轴向保持能力的数据可以告诉我们划线之后留下线条的情况。由于每次划线都会受其影响，因此这个数据非常关键。动态轴向保持重复性则表示线到线的波动或者线条在面板上的平行程度。在一般的1300 mm长度的面板上，动态轴向保持能力通常是数十微米，而重复性低于10微米。可以获得这种精确度的关键在于采用精确的组装方法安装高质量的精确运动元件。合适的马达供应伙伴可以提供相应的设施以及在这个领域的成功经验。

运动控制器

另一个提高面板生产吞吐率和动态性能的关键因素是运动控制器。尽管目前大部分控制器都可以提供太阳能划线操作所需要的基本功能，但通常它们并不是一整套工具，也没有针对质量和吞吐率进行过优化。

例如划线路径必须简单并有效。为了实现这一目标，Aerotech采用了像Motion Designer这样的技术，可以图形化地产生划线路径，并提供给用户一整套数据分析工具。Motion Designer的标准工具组合允许采用预订的组件产生轨迹，可以很快地得到路径的初始方案。产生了划线路径之后，用户可以采用数据分析（例如FFT、最大值、最小值、平均值、均方根值，和标准差值），从当前的轨迹来诊断系统性能。对划线这样强烈依赖于路径的应用来说，划线路径的优化非常关键。

控制器的另一个特色是可以在特定的位置触发并控制激光（在激光划线头中）。Aerotech的移动控制平台采用同步位置输出（Position Synchronized Output，PSO）方法，在轴移动到精确的位置后，使用硬件和软件工具结合的方法触发激光输出。在实际位置触发激光降低了工艺过程中的外来干扰。例如，如果系统不受到不确定的影响，那么马达的速度控制和位置预设值就没那么重要了。同样，从马达到达预定位置到触发激光之间的延迟只在亚微秒范围，因此也变得无足轻重。由于避免了错位现象，这种后触发激光的方法比传统控制延迟的方法要有效得多。与低延迟的PSO相结合，可以触发多路脉冲。触发率可以高达10 MHz，不仅可以实现高速跟踪，还具有直接控制激光输出或进行高速数据提取的能力。PSO是一件应用很广的工具，可以提供数个跟踪和触发选项，而且易于编程。

其他支撑技术也有助于提高系统的吞吐率和可靠性。特别是Aerotech的动态控制工具箱（Dynamic Controls Toolbox），包括了像迭代学习控制（Iterative Learning Control）和增强吞吐模块（Enhanced Throughput Module ，ETM）这样的提高性能的选项，可以将系统性能从目前的硬件提升到更高的水平。ETM可以直接测量机台不需要的运动并反馈给控制器，这样提高了定位性能。通过与动态控制工具箱和Aerotech控制器协同使用，ETM可以极大地改进移动到定位的时间以及等高性能，提高现有设备的吞吐率，并降低伺服系统的框架运动效应。

结论

在向电网等价点的前进过程中，降低光伏面板的制造成本是最为关键的因素。为了实现这一目标，PV制造商必须找到最好的技术和合适的伙伴，可以获得具有最高吞吐率、更高可靠性的可移动平台。合适的伙伴可以提供系统级的知识，以及机电一体化的平台，可以优化系统性能，以及提供可靠的操作。理解了这些问题，并找到解决方案，这可使制造商获得必需的划线平台工具。

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