CN102394259A - 太阳能电池片串焊设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体公开了一种太阳能电池片串焊设备，包括：热风枪、温度控制系统、气压及流量控制系统；其中，温度控制系统、气压及流量控制系统分别与热风枪电连接；该热风枪包括热风枪风嘴，该热风枪风嘴设置在热风枪的出气端。该串焊设备还包括弹性滚轮、运动机构，该弹性滚轮固定连接该运动机构。该弹性滚轮有两个，该热风枪固定连接该两个弹性滚轮，该热风枪风嘴位于该两个弹性滚轮中间，形成一个焊接模块，该焊接模块设在太阳能电池片的正面或反面。该串焊设备还可以包括另一个焊接模块，该两个焊接模块分别设在太阳能电池片的正面和反面。本发明在保证焊接质量同时，又降低了成本，克服了现有技术的一些缺陷。

Description

太阳能电池片串焊设备

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及太阳能电池片的串焊技术。

背景技术

随着人们对环境的日益关注，清洁能源的使用已经成为未来长期发展的趋势。目前，太阳能光伏发电已经成为最受关注、发展最为迅速的清洁能源产业。由于太阳能光伏发电的基本单元为太阳能电池组件，因此，太阳能电池组件的生产在国内外都处于兴盛期。

在太阳能电池组件的生产过程中，为了获得不同功率等级的组件，必须将厚度在20um左右的太阳能电池片利用电池片焊带按一定的规律串焊在一起才能实现。如图1和图2所示，太阳能电池片1上有电池片焊接区2，电池片正、反面焊接区位于相同位置，电池片焊带3用于焊接到电池片焊接区2上，电池片焊带3的长度略小于电池片长度的2倍。焊接时，利用具有导电性的焊带将多片电池片的首尾(也就是正、负极)连接起来。由于单片电池片的发电功率有限，串焊后，就可以获得各种功率的发电单元，通过后续的层压等工序后就形成了用于光伏发电的太阳能电池组件。由于电池片薄而易碎，因此，电池片的串焊技术成为国内外设备供应商研究的热点和面临的最大挑战。

目前市场上主流的太阳能电池片串焊设备在焊接方式上主要分为红外线焊接、高频感应焊接和激光焊接等。由于这三种焊接方式的技术门槛很高，主要由欧美等工业发达国家掌控，相应的设备购买成本也很高，很多厂家都难以承受。国内很多设备供应商也推出了采用这三种焊接手段的设备，但目前的使用现状是由于焊接技术不成熟，普遍存在焊接质量不稳定的问题。

热风枪焊接是国内成熟的、技术门槛及成本相对较低的技术，但将用于电路板维修及焊接的热风枪作为太阳能电池片串焊设备，因受太阳能电池片物理特性以及焊接工艺的影响，还需要克服以下四个将导致太阳能电池片串焊成功与否的关键问题：

（1）电池片薄而易碎

由于生产电池片所使用的材料以半导体硅为主，并且最常使用的太阳能电池片的外形尺寸为125mm×125mm（5英寸）、以及156 mm×156mm（6英寸），而其厚度则均不超过20um，远小于长宽方向的尺寸，因此，其材料和外形尺寸决定了太阳能电池片属于薄而易碎的产品。这是电池片焊接所面临的最大难题，因此，在使用热风枪焊接过程中，必须从多个方面采取措施降低电池片的碎片率。

（2）焊接温度高

由于太阳能电池片串焊时使用的焊带属于环保型的无铅焊带，焊接时对温度的要求很高。为了保证焊带在焊接过程中能与电池片焊接区域的材料生成牢固的化合物，必须保证焊接处的温度达到330℃的锡的熔化温度，而电路板维修及焊接时使用的无铅焊带的熔化温度最高不超过240℃。将热风枪热气流用于电池片与导电焊带的焊接时，热气流所携带的热量只有一部分通过对流传热的方式被锡吸收后用于焊接，还有一部分被散失到周围环境中，因此，热风枪的实际工作温度将远高于330℃的焊接温度。由于热风枪主要用于电路板的维修、以及电子元器件引脚的焊接，因此其最佳的工作状态一般难以达到电池片串焊所需的温度及气流要求。为了能将热风枪用于电池片的串焊，必须采取措施降低焊接过程中热风枪的热负荷，延长热风枪内部电热丝的工作寿命。

（3）易出现焊接不良

为了将单个的电池片利用焊带串焊起来，同一块电池片需要完成正、反面焊带的焊接。由于焊接温度过高，电池片正、反面的焊接区域需要承受很高的热冲击，导致电池片内部很容易产生热应力。热应力的宏观表现就是电池片出现翘曲变形、隐裂、以及开裂等不良状况。在焊接过程中，如果对热风枪的热气流的温度、流量以及焊接时间等控制不好的话，电池片很容易出现上述不良状况。

（4）焊接表面质量及焊带附着力

焊接完成后，还要进行焊接表面质量的考核以及焊带与电池片之间的附着力的测试。由于热气流焊接属于非接触式的焊接方式，与接触式焊接方式相比，能减少对焊接表面的干扰。在温度、流量及焊接时间准确的情况下，既能保证但保焊带表层光亮、平滑，无锡渣、尖锐刺角等缺陷，又能保证焊带上的锡与电池片焊接区的镀层生成牢固的化合物而达到附着力的测试要求。但非接触式的焊接方式也有很多难以控制的因素，例如由于实际作用在焊带上的气流温度、气流流量等数据无法获得，只能通过控制焊接区域周围的这些参数来对焊接状况进行控制，这就要求焊接区域周围的环境不能有太大变化。并且，热气流也有将导电焊带以及电池片吹偏的风险，焊接过程中熔化状态的锡也容易被气流吹跑而堆积在气流较弱的区域形成尖锐的刺角。

因此，上述技术难题又导致实际上难于将热风枪技术应用到太阳能电池片的串焊。

再有，在进行太阳能电池片的串焊前，首先要通过压持机构将焊带固定到电池片的焊接区。但由于焊接过程涉及到焊带表层的锡熔化并凝固的过程，因此，熔化的锡很容易粘附到压持机构上，在压持机构离开焊带时，会在焊带表面留下凹凸不平的痕迹。压痕的存在一方面对太阳能电池组件的表面质量造成影响，另一方面，较严重的压痕在后续的层压过程中也存在导致组件内的部分电池片产生隐裂、裂纹或碎片的隐患。如图3所示，国内外的设备供货商普遍采用的焊带固定方式是即利用弹性压头4一次性将电池片焊带3固定到电池片的焊接区域，然后再进行焊接。这种压持方式很难避免压痕的产生，并且，焊接完成后松开压头时，由于锡的粘附，电池片很容易跟随压头一同被提起，导致电池片偏位、开裂等问题。

另外，现有太阳能电池片串焊设备在进行电池片正、反面焊带的焊接时，目前普遍采用在单一面施加热源的方式，即仅在正面焊带的一侧施加热源，背面焊带焊接所需要的热量通过热传导的方式获得。这种焊接方式主要存在如下问题：（1）单面施加热源的焊接方式导致对热源的功率需求较高，而功率过高的热源在工作时由于需要承受较高的电流、电压、及温度等，因此其使用寿命偏低，导致设备的维护周期较短。（2）高功率的热源容易导致正面焊带因吸收的热量过多而出现表面锡层氧化、甚至发黑的问题。同时，暴露在热源区域的电池片容易因局部区域承受过高的热冲击而出现翘曲、隐裂、开裂等问题。（3）单面施加热源的焊接方式容易导致反面焊带因吸热不足而出现虚焊，严重降低太阳能电池组件的功率及寿命。（4）反面焊带的表面质量很差，压痕严重。因为焊接时，电池片反面的焊带直接铺设在焊接平台上，焊带表层熔化的锡因为受到焊带压持机构的挤压而变形严重。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是：克服技术偏见，采用热风枪作为太阳能电池片串焊设备，并解决上述应用热风枪进行太阳能电池片串焊时的技术难题，以保证太阳能电池片串焊的成功。

本发明要解决的另一个技术问题是：采用弹性滚轮滚动压持的方式将焊带固定到电池片表面的焊接区，就不会有锡粘附到滚轮表面，焊带表层就不会留下压痕,并且焊接完成后滚轮在离开焊带时，也不会出现电池片被一同提起而引起的偏位或开裂等状况。

本发明要解决的再一个技术问题是：采用在电池片正、反面同时施加热源的方式实现电池片与焊带的焊接，以使电池片在焊接过程中发生翘曲、隐裂、开裂的现象大大降低，并且反面焊带的表面质量以及虚焊等状况有了显著改善。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种太阳能电池片串焊设备，包括：热风枪、用于控制热风枪工作温度的温度控制系统、用于控制热风枪风量及流速的气压及流量控制系统；其中，温度控制系统、气压及流量控制系统分别与热风枪电连接；该热风枪包括热风枪风嘴，该热风枪风嘴设置在热风枪的出气端。

优选的，该热风枪风嘴可拆卸的设置在热风枪的出气端。

优选的，该太阳能电池片串焊设备还包括多级预热平台，该多级预热平台与该温度控制系统电连接以用于焊接前对多级预热平台上的太阳能电池片进行多级均匀预热。

优选的，该太阳能电池片串焊设备还包括防护罩，该防护罩在焊接时设置在热风枪的外围以降低焊接时周围环境中的气流运动以及温度波动的干扰。

优选的，该热风枪风嘴的出气部位为中空的扁平锥型。

优选的，该太阳能电池片串焊设备还包括用于将焊带滚动压持固定到太阳能电池片焊接区的弹性滚轮、用于控制弹性滚轮运动的运动机构，该弹性滚轮固定连接该运动机构。

优选的，该弹性滚轮上还设有弹性滚轮压头和弹簧，该弹簧连接该弹性滚轮压头，以通过调整该弹簧的压缩量来调节该弹性滚轮压头施加在太阳能电池片上的压力。

优选的，该弹性滚轮有两个或多个，该热风枪固定连接该两个或多个弹性滚轮，该热风枪风嘴位于该两个或多个弹性滚轮中间，形成一个焊接模块，该焊接模块设在太阳能电池片的正面或反面。

优选的，该两个或多个弹性滚轮上还分别设有用于调整该两个或多个弹性滚轮中心距离的长孔。

优选的，该太阳能电池片串焊设备还包括另一个焊接模块，该两个焊接模块分别设在太阳能电池片的正面和反面。

本发明的有益效果是：通过使用热风枪在保证焊接质量同时，又降低了成本；而采用弹性滚轮可以避免有锡粘附到滚轮表面，焊带表层就不会留下压痕,并且焊接完成后滚轮在离开焊带时，也不会出现电池片被一同提起而引起的偏位或开裂等状况；而在电池片反面也同时施加热源的方式实现电池片与焊带的焊接，能使电池片在焊接过程中发生翘曲、隐裂、开裂的现象大大降低，并且反面焊带的表面质量以及虚焊等状况能得到显著的改善。

附图说明

图1太阳能电池片结构简图。

图2太阳能电池片串焊示意图。

图3弹性压头结构示意图。

图4热风枪及其控制系统结构示意图。

图5A本发明一实施例结构示意图。

图5B为图5A的局部放大示意图。

其中：

1太阳能电池片，     2电池片焊接区，

3电池片焊带，         4弹性压头，

5热风枪，                 51热风枪风嘴，

6温度控制系统，     7气压及流量控制系统，

8弹性滚轮，             81弹性滚轮压头，

82长孔，                   D两滚轮的中心距离。

具体实施方式

如图5A所示，本发明一实施例的太阳能电池片串焊设备包括热风枪5、温度控制系统6、气压及流量控制系统7、弹性滚轮8。

如图4所示，温度控制系统6和气压及流量控制系统7分别与热风枪5电连接，热风枪5的工作温度通过常规的温度控制系统6进行控制，热风枪5的风量及流速则使用常规的气压及流量控制系统7进行控制。并且，考虑到各种型号的太阳能电池组件的焊接区域及导电焊带的宽度存在差异，热风枪出气端的热风枪风嘴51也能方便的进行更换。

再有，该太阳能电池片串焊设备还采用多级预热平台，多级预热平台与温度控制系统6电连接，通过温度控制系统6的控制在焊接前对多级预热平台上的太阳能电池片进行多级均匀预热，以降低焊接过程中太阳能电池片焊接区域与非焊接区域的温差，避免太阳能电池片内部产生过大的热应力而出现翘曲、隐裂、以及开裂等不良状况。多级预热平台的温度采用逐级升高的方式，并且尽量保证各级预热平台的温度分布均匀。逐级升温可以保证电池片的温度在预热过程中是缓慢上升的，电池片所承受的热冲击小，内部由于热冲击产生的热应力也小。而均匀受热则能保证电池片各部分的温差小，由于小的温差导致的热应力也小。例如，可以采用三级预热平台，第一级预热平台的设定温度为70℃，第二级预热平台的设定温度为120℃，第三级预热平台的设定温度为180℃。各级预热平台内部的最大温差均在15℃以内，温度波动值采用温度控制系统控制在设定温度的±5℃。

通过多次实验验证，此种预热方式既能降低焊接过程中电池片出现的翘曲、隐裂、以及开裂等不良状况，又能有效的降低焊接过程中的碎片率。并且，由于焊接前电池片已经被预热至180℃的温度，对热气流携带的热量进行了有效的补充，使得热风枪的工作温度比非预热的焊接方式降低了约40℃，大大降低了热风枪内部电热丝的热负荷。并且，电池片焊接所需的温度及气流量等均位于热风枪正常的工作状态内，使得利用热风枪提供的热气流进行电池片的焊接成为可能。

再有，该太阳能电池片串焊设备还采用防护罩，焊接时设置在热风枪5的外围，以降低焊接时周围环境的干扰。因为采用热气流进行焊接时，携带能量的载体为热气流。热气流在从热风枪流出，而后又流动至焊接区域完成焊接的过程中，周围环境中的气流运动以及温度波动对热气流的焊接效果有明显的影响。比如，在不同的时间段进行试验，或者存在空调的开启、关闭时，需要对热风枪的工作温度、以及气流量进行调整才能保证电池片焊接质量的稳定性。为了降低周围环境变化对焊接质量的影响，使焊接区域的环境更稳定，在焊接区域设置了防护罩，将焊接区域与周围环境进行隔离。实验表明，设置防护罩的方式能有效提高热风枪工作的稳定性，并能长时间的保证电池片的串焊质量。

而热风枪风嘴51的出气部位为中空的扁平锥型（而一般热风枪风嘴其出气部位为中空的圆柱形），使得热气流的出气端呈一条长缝，其宽度约为1mm（注：电池片正面焊接区的宽度约为2mm，反面焊接区的宽度约为4mm，电池片焊带的宽度约1.6mm）。从结构上来看，扁平锥形的出气通道属于缩管结构，气流在逐渐变窄的通道中流动时，其流速会增大。在气流从喷嘴中喷出时，热气流携带的热量能快速、集中的到达焊接区域。而圆柱形出气通道的喷嘴，其气流要以相同的速度、相同的温度到达焊接区时，热风枪需要加热的气流量要比缩管结构的喷嘴加热的气流量多，热风枪的工作温度也要相应提高，导致热风枪的热负荷大，在许可的工作状态下不能保证电池片的焊接质量。

如图5B所示，热风枪5有两个分别设在太阳能电池片1的正面和反面；弹性滚轮8有两组，每组有两个弹性滚轮（或者每组有多个弹性滚轮也可以），该两组弹性滚轮分别设在太阳能电池片1的正面和反面；各热风枪5的热风枪风嘴51分别位于该面的两个弹性滚轮中间；电池片焊带3对应于太阳能电池片1的正、反面焊接区分别为正面焊带、反面焊带。弹性滚轮8采用滚动压持的方式将正面焊带、反面焊带分别固定到太阳能电池片1的正、反面焊接区。弹性滚轮8上还设有长孔82，用于调整两滚轮的中心距离D。弹性滚轮8上还设有弹簧，弹性滚轮压头81施加在电池片上的压力可以通过调整该弹簧的压缩量进行调节。

焊接时，热风枪风嘴51出气口与焊带3的距离在4~5mm。热风枪稳定工作的功率不超过400W，正面焊带侧的热风枪的工作温度不超过200℃，反面焊带侧的工作温度不超过380℃。电池片在焊接过程中发生翘曲、隐裂、开裂的现象大大降低，并且，反面焊带的表面质量以及虚焊等状况有了显著改善。

在焊接过程中，热风枪和弹性滚轮均处于运动状态。只要保证滚轮运动至焊带的下一个位置时，该处焊带表层的锡已由吸热熔化转变为凝固状态，那么，就不会有锡粘附到滚轮表面，焊带表层就不会留下压痕。并且焊接完成后滚轮在离开焊带时，也不会出现电池片被一同提起而引起的偏位或开裂等状况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池片串焊设备，其特征在于，包括：热风枪、用于控制热风枪工作温度的温度控制系统、用于控制热风枪风量及流速的气压及流量控制系统；

其中，温度控制系统、气压及流量控制系统分别与热风枪电连接；该热风枪包括热风枪风嘴，该热风枪风嘴设置在热风枪的出气端。

2.如权利要求1所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该热风枪风嘴可拆卸的设置在热风枪的出气端。

3.如权利要求1所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该太阳能电池片串焊设备还包括多级预热平台，该多级预热平台与该温度控制系统电连接以用于焊接前对多级预热平台上的太阳能电池片进行多级均匀预热。

4.如权利要求1所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该太阳能电池片串焊设备还包括防护罩，该防护罩在焊接时设置在热风枪的外围以降低焊接时周围环境中的气流运动以及温度波动的干扰。

5.如权利要求1所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该热风枪风嘴的出气部位为中空的扁平锥型。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该太阳能电池片串焊设备还包括用于将焊带滚动压持固定到太阳能电池片焊接区的弹性滚轮、用于控制弹性滚轮运动的运动机构，该弹性滚轮固定连接该运动机构。

7.如权利要求6所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该弹性滚轮上还设有弹性滚轮压头和弹簧，该弹簧连接该弹性滚轮压头，以通过调整该弹簧的压缩量来调节该弹性滚轮压头施加在太阳能电池片上的压力。

8.如权利要求6所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该弹性滚轮有两个或多个，该热风枪固定连接该两个或多个弹性滚轮，该热风枪风嘴位于该两个或多个弹性滚轮中间，形成一个焊接模块，该焊接模块设在太阳能电池片的正面或反面。

9.如权利要求8所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，该两个或多个弹性滚轮上还分别设有用于调整该两个或多个弹性滚轮中心距离的长孔。

10.如权利要求8所述的太阳能电池片串焊设备，其特征在于，优选的，该太阳能电池片串焊设备还包括另一个焊接模块，该两个焊接模块分别设在太阳能电池片的正面和反面。

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