运动控制速度太阳能电池制造

随着人们对全球变暖和清洁能源的关注，太阳能是一个大产业。根据分析公司Solarbuzz的数据，仅在2007年，这个市场就增长了62%，达到了2,826兆瓦。其他机构预测，到2010年，这个市场将增长两倍。为了满足日益增长的需求，制造商需要找到更快生产太阳能电池板的方法，这就指向了自动化。

太阳能电池通过光电效应将入射光子转换成电流来发电。它们由硅等光电材料组成，上面有电路来引导产生的电流。历史上，太阳能电池是在工艺工具上制造的，每个工具只执行一个步骤，例如图形或检查。对于将硅片转换成光伏电池所需的5到15个工艺步骤中的每一个步骤，通常都是手工加载工具，并手工检查生成的产品。然而，随着当今需求的不断增长，制造商开始转向一种更有效的方法。

“最重要的是，这个行业需要在同样的工厂空间里提高产量，”爱德普技术公司(加州利弗莫尔)的总裁兼首席执行官约翰·杜奇诺斯说。“他们需要提高产量，降低报废率——所有这些都表明需要自动化。”

二三十年前，硅太阳能电池由足够重的钢锭组成，屋顶必须加固以承受重量。如今，硅光电由150微米的硅片组成，降低了材料成本，提高了转换效率，所有这些都提高了成本性能。这在竞争方面是个好消息，使太阳能越来越接近与传统电网生产的能源实现价格平价的目标。杜尔奇诺斯说:“在未来三到五年内，美国某些地区和世界某些地区将达到电网平价。”“这应该是一个里程碑式的事件，并将在未来引发更高的交易量。”

薄可能提供性能优势，但它使制造过程复杂化。硅很脆，电池越薄，就越容易断裂。当制造商不能生产足够的产品来满足需求时，减少废料是提高产量的简单方法。这就是运动控制可以帮助的地方，它可以将处理和检查任务自动化到一个单一的过程步骤。除了最小化破损，自动化还允许制造商在降低成本的同时定义过程中每个步骤的质量。

这是一个明确的目标，但并不简单。光伏生产线可能不会出现饮料包装生产线每秒300片的吞吐量挑战，但性能要求依然严格。工作范围可以是1米或2米宽，但这条线必须在1800到3600个零件每小时运行。杜尔奇诺斯观察到:“当你从传送带上取下一块太阳能电池，检查它，然后在一秒钟内将它装载到一个一米跨度的工具中，这是一个相当高的速度。”

光伏电池只是半定向在传送带上，这使得机器视觉成为整体设计的关键部分。将视觉系统与运动系统集成在一起，当细胞到达以每秒几英寸速度移动的传送带时，机器就可以识别细胞，并将它们的位置信息传递给控制器。控制器将这些信息与来自传送带的编码器数据相结合，允许拾取和放置单元在飞行中捕获细胞，并以50至100 um的位置精度将它们转移到工具或检测站。杜尔奇诺斯说:“这需要一个紧密耦合的成像系统和一个紧密耦合的伺服系统，能够移动机械并使其与移动的传送带同步。”“这是一个非常复杂的应用程序。”

Adept在分布式控制架构中使用智能驱动器，并结合基于powerpc的运动控制器，以8khz关闭伺服回路。在其上的。net应用程序简化了编程和操作。在一个似乎每周都要招聘新员工的行业，用户友好性是一件好事。

薄膜光伏发电
当然，硅并不是唯一的光伏产品。许多有前途的技术都是基于薄膜方法。薄膜模块通常由三层组成，每一层通常都需要划线来隔离元件。这是使用由机械执行器或直线电机驱动的龙门式配置完成的。该平台可能会在机械划线器或激光下携带一个600毫米x 1200毫米的部件，以去除这些层。

吞吐量一直是一个问题——系统以1到3米/秒的速度运行——但精度也是一个问题。其中的挑战是提供稳定的速度，快速周转，以及在线路停止的情况下的快速响应。线性致动器像皮带和滚珠丝杠提供选择，但线性电机是最常用的。尽管它们的成本较高，但它们提供了更高的准确性和灵活性。

一个薄膜加工工具可能有多达十个需要独立工作的刻录头。“这就是直线电机变得非常有用的地方，”Al Ciez说，他是Aerotech公司(宾夕法尼亚州匹兹堡)定位系统部门的部门经理。带有单一磁轨的直线电机可以有多个线圈，每个线圈分配到不同的划线头。“直线电机提供了高速，但这种方法极大地提高了系统吞吐量，”Ciez说。“你可以将所有这些头组合在一个共同的轨道系统上，并能够清楚地说出每个头单独放在一个包中的位置，这个包的大小基本上与划线头本身相同。”

对于这些类型的应用，轴承设计是至关重要的。“划线必须非常直，非常平行，”Ciez说。“机械轴承必须是真实的，以便在整个面板的2或3 um精度线。”

制造通常在10000级洁净室环境。除了运动系统的机械轴承或在电缆轨道上运行的电缆所产生的粒子外，划线过程本身也会产生粒子。对于这些高通量系统，一个更大的问题是热管理，通常通过空气冷却或水冷却来解决。

光伏生产线面临的不仅仅是性能规格的挑战。占空比通常在100%附近徘徊。Aerotech测试和测量组产品经理John Lindell说:“这一切都归结于尽可能快地完成尽可能多的面板。”“机器必须全天候运转，因为真正的美元是由这些机器(划线)面板制造的。很多公司给我们要求动态直线度之类的东西但总是有机器正常运行时间和产量的问题。他们都希望每个电池板的成本降低。”

系统级设计
除了组件关注之外，还有系统级的考虑。在任何高通量制造环境中，网络都是一个关键需求。这不仅仅是向顶层提供车间数据或简化维护的问题。例如，将自动化检测站联网，可以使系统向工艺工具提供反馈，以提高性能和产量。杜尔奇诺斯说:“我们可以观察太阳能电池上的打印，并确定这是否是打印的趋势，以及它是否在一段时间内发生了变化。”“如果我们有能力将数据上游传递给可能产生缺陷的过程工具，我们就真的提供了一个非常强大的过程控制工具。”

在制造的最后，太阳能设备按效率分类;设备效率越高，价格就越高。这使得重新制作作品变得可行，但只是在一定程度上。如果发现的足够快，某些缺陷可以修复，只需要几个额外的步骤，这使抢救件经济。相反，如果同一件东西一直到生产线的最后，需要返工的额外过程的数量将是昂贵的。对网络化系统的自动检查可以及早发现错误，使制造商能够挽救那些他们不得不报废的产品。

成本控制的一部分是整合安全到系统中。当然，安全主要与确保工作人员的健康有关，但它也在尽量减少报废、减少维护要求和减少停机时间方面发挥作用。林德尔说:“这是安全的过程部分，它不一定只是保护人，而是保护最终产品。”“如果操作员撞上了e-stop，你如何以安全的方式降低产品的速度，从而不会发生断裂?”解决方案因应用而异，但关键是从一开始就集成安全性。“很多时候都涉及到搬运、装卸，以及加速和减速。它总是在我们思考的前沿，”林德尔说。“没有人希望自己的产品受损。”

尽管光伏产业已经发展了很多年，但它还远未成熟。由于所有的市场力量都在发挥作用，它几乎处于不断变化的状态，这可能给供应商带来了最大的挑战。杜尔奇诺斯说:“事情发展得非常快。“目前在过程中有很多变化。在对硅基太阳能电池的检查中，我们有一份他们正在寻找的50个缺陷的清单，但我们发现这个清单每六个月增长20%。油气行业没有足够多的高产量生产历史来推动这些流程达到高效率，所以应对这一问题是一个挑战。”

撇开挑战不谈，绿色能源是未来的增长型产业。然而，满足日益增长的需求是关键。运动控制以高效的模块化技术提供了解决方案，可以让工厂在未来证明他们的操作，同时最大限度地减少能源消耗。这是一个强大的解决方案。