CN103377975A - 太阳能电池串铺设系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的系统，所述系统包括具有连接到其自由端的拾取杆的机器人臂。拾取杆具有细长主体，所述细长主体具有沿着主体间隔开的多个真空抓持装置，且所述多个真空抓持装置每一个都用于抓持太阳能电池串的各个太阳能电池。真空源通过抓持太阳能电池的真空抓持装置和连接到机器人臂并将被拾取杆抓持的太阳能电池串定位在基板上的控制器施加真空，安装在拾取杆上的一对传感器组件生成表示太阳能电池串的部分的位置和基板的特征。控制器像响应于信号以相对于基板定位被抓持的太阳能电池串。

Description

太阳能电池串铺设系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2012年4月16日提出申请的美国临时专利申请第61/624,574号的权益。

技术领域

本发明涉及太阳能电池板或模块的制造。更具体地，本发明涉及用于将太阳能电池串铺设到基板上的方法和设备。

背景技术

晶体光电模块的制造通过电连接多组硅太阳能电池来实现。典型地，单独的电池通过扁铜线(条带)被连接成称为串的电器串联结构。电池与电池串连接通常使用焊接过程以将扁铜线连接到电池的前表面和后表面来实现。

串(每一个典型地由10个或12个电池组成)彼此紧邻地布置成平行行以实现矩形电池矩阵。虽然矩阵结构可以基于应用而变化，但是典型的矩阵由六个由12个电池形成的串总共72个电池组成。

模块通常包括由钢化玻璃形成的面向太阳片材(基板)、密封剂材料、互连太阳能电池矩阵、后部环境密封材料、用于刚性和安装的框架和电接线盒。

通常在多个步骤中实现模块组装，第一步骤在行业中被称为“铺设(layup)”。铺设通过将钢化玻璃基板面向下放在工作支撑件(通常为传送机)上并将材料放置在钢化玻璃基板上来实现。通常由乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)制成的一层密封剂箔放置在钢化玻璃上。电池串以矩阵结构准确地被放置到EVA箔上，且有源(向阳)侧向下。

在铺设之后，串然后在行业中被称为“对接(bussing)”的操作中相互电连接，其中对接可以手动实现，或者在一些情况下可以自动实现。对接通常通过将镀锡扁铜导体焊接到串的端部从而电连接所述镀锡扁铜导体和所述串并使其位置关系彼此固定来实现。

在对接之后，另一层EVA密封剂箔放置在矩阵的顶部，然后是通常由聚氟乙烯(PVF)制成的最终背部片材层，以用于最终产品的环境保护。

执行进一步的处理步骤以预先测试、完成(层叠)并最终测试组件。所有这些步骤之后的最终产品被称为模块。

在模块组装过程中的铺设步骤之后，对预层叠制品进行检查和对接处理，所述检查和对接处理典型地由位于模块的任一侧的操作者来执行。这些操作者的首要任务是检查太阳能电池串相对于玻璃以及彼此的对准。操作者根据印刷在与玻璃对准的绝缘板上的模板如果需要通过用手将串调节到适当位置来执行该任务。一旦串被定位，操作者通常运用胶带以保持串的位置并将对接材料焊接到串的端部

为了将太阳能电池串自动放置到玻璃铺设系统中的玻璃基板上，放置所述串的机器人必须准确并适当地被引导以拾取并放置每一个串。可编程机器视觉系统已经用于检查电池并定位串，将位置数据传送到机器人系统。近来可从York PA的Komax Solar获得的铺设系统都已经使用视觉系统以为机器人拾取确定串位置然后在计算的位置将串放置在玻璃上。铺设系统及其相关联的视觉系统包括：

●1代-使用视觉台；

●2代(aka GL20)-使用拾取杆视觉照相机；和

●3代(aka GL30)-使用视觉塔。

在Komax Solar的1代玻璃铺设系统中，具有背光式检查台，机器人(台架系统)将由XCELL成串装置(stringer)(一个或多个)制造的串放置在背光式检查台上。被编程以检查质量并计算位置的机器视觉系统在串位于检查台上时扫描所述串。照相机安装在伺服电动机控制轴线上，并独立于台架机器人系统而移动。通过比较测量数据与存储在控制器存储器中的阈值来实现检查，并且采集到的位置数据用于引导机器人运动以拾取串并在一定程度的精度内将所述串放置到玻璃上。

2代玻璃铺设系统使用类似于1代系统上使用的背光式检查台的光台(light table)。然而，照相机安装在拾取并放置串的六轴线机器人上，使得机器人替换1代系统中的伺服电动机控制轴线。

3代玻璃铺设系统使用“视觉隧道”方法。所述设计包括位于机械臂附近的垂直塔。照相机安装在朝向被设计成用于最佳机器视觉照明条件的受控照明区域向上指向的塔的底部处。由机器人保持的电池串在隧道的顶部移动通过受控照明区域，同时由机器视觉照相机采集图像。从由照相机获得的图像，软件能够捕获缺陷和将串放置在面板上所需的位置信息。

当前视觉引导布局技术的性能的局限性在放置串期间导致不精确从而使得在对接步骤中需要手动重新定位串。

期望获得质量或人工成本节约的优点的模块制造商可能希望消除对手动串位置调节的需要。使串直接从自动铺设良好对准允许自动对接，这也代表对于提高质量和人工成本节约的机会。

本发明涉及一种以大大提高的精度放置串的创新的解决方案。

发明内容

利用上述所有方法，使用测试串评价性能。这些串是用于校准、安置、和性能鉴定的金属材料的平板。测试串的目的是去除当使用标准材料时所出现的串几何结构的所有变化性、电池变化、串弯曲、电池定位。另外，测试串提供非常硬的测试材料来使用卡尺测量性能，例如，串与串的间隙和串与玻璃的距离。通过测试串的典型性能在使用基于产品制造的+/-0.3mm至+/-0.5mm的手动对接的当前的制造线的容许偏差范围内。

实际串的评价性能存在当使用测试串时典型地看不到的独特的挑战并典型地产生更坏的性能。在测量实际产品的尺寸信息以定量性能时的不精确加剧了性能下降。材料非常薄、脆且轻质，从而使得在不移动材料的情况下使用卡尺确定边缘的位置并进行测量是一个挑战。实际材料的性能可能会降低测试串上所实现的水平的两倍。该性能水平对当前的制造线是不能接受的。

除了边缘性能之外，太阳能工业变得越来越具有竞争力并且制造商对于面板正在坚持高标准质量。关键质量标准不仅基于面板性能，而且还基于面板的外观。面板的尺寸一致性决定外观质量。串必需均匀地间隔开并且矩阵必须在玻璃上位于中心。这些方面是提高要求创新技术开发的铺设性能的驱动因素。

本发明涉及一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的拾取杆，该拾取杆包括：细长主体，所述细长主体具有安装在所述细长主体上的多个真空抓持装置，所述多个真空抓持装置每一个都沿着所述主体间隔开以当真空抓持装置连接到真空源时抓持太阳能电池串的各个太阳能电池；和至少一个传感器，所述至少一个传感器安装在拾取杆上以当太阳能电池串被真空抓持装置抓持时生成表示太阳能电池串的位置的信号，所述位置信号包括当拾取杆与基板邻近时太阳能电池基板的特征或部件。

本发明涉及一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的系统，该系统包括：机器人臂；拾取杆，所述拾取杆连接到所述机器人臂的自由端以抓持太阳能电池串，所述拾取杆具有细长主体，所述细长主体具有沿着所述主体间隔开的多个真空抓持装置，所述多个真空抓持装置每一个都用于抓持所述太阳能电池串的各个太阳能电池；真空源，所述真空源与所述真空抓持装置流体连通并通过所述真空抓持装置施加真空以抓持所述太阳能电池；和控制器，所述控制器连接到所述机器人臂以将被所述拾取杆抓持的太阳能电池串定位在基板上。所述系统包括安装在所述拾取杆上的一对传感器，所述一对传感器用于生成表示所述太阳能电池串的部分的位置和基板的特征或部件的信号，且控制器连接到所述传感器并响应于信号以相对于基板定位被抓持的太阳能电池串。

本发明还涉及一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的方法，该方法包括以下步骤：提供拾取杆，所述拾取杆具有细长主体和安装在所述拾取杆上的传感器，所述细长主体具有多个真空抓持装置；将拾取杆定位成邻近太阳能电池串并将真空施加给真空抓持装置以抓持太阳能电池串；移动拾取杆以将太阳能电池串定位成邻近基板的表面；操作传感器以生成表示太阳能电池串的部分的位置和基板的特征或部件的信号；以及响应所述信号移动拾取杆以将太阳能电池串放置在基板上的期望位置并从拾取杆释放太阳能电池串。

本发明的优点可以概括如下：

●提高的串对准-这表示串与其它串以及玻璃边缘的对准。对于与玻璃的对准来说对准性能目标是+/-0.5mm，而对于串与串对准来说对准性能目标为+/-0.2mm。这由高质量标准和额外的向着更高程度的自动化(自动对接)的行业趋向驱使。

●自动测量-除了使用传感器进行对机器人的位置反馈之外，所述传感器还可以用于一旦串已经放置时确认所述位置。该信息不仅可以用于确认安置性能，而且用作制造期间的控制参数。

附图说明

本发明的以上以及其它优点对于本领域的技术人员来说将从以下参照附图对优选实施例的详细说明变得更加清楚，其中：

图1是在本发明的方法和系统中使用的拾取杆的立体图；

图2是放置在玻璃基板上的典型的太阳能电池串矩阵的平面图；

图3是图1的拾取杆的立体图，其中显示了两个传感器；

图4是根据本发明的用于将串定位成与另一个串相邻的四个太阳能电池的图像的平面图；

图5是图3中所示的传感器中的一个的正视图；

图6是根据本发明的太阳能电池串铺设系统的立体图；以及

图7是根据本发明的用于执行所述方法的控制系统的方框图。

具体实施方式

2012年4月16日提出申请的美国临时专利申请第61/624,574号通过引用在此并入供参考。

以下详细说明和附图描述并显示本发明的各种示例性实施例。所述说明和附图用于使本领域的技术人员能够实现和使用本发明，并且不旨在以任何方式限制本发明的保护范围。对于所公开的方法，所存在的步骤实质上是示例性的，因此步骤的顺序不是必要或关键的。

本发明的铺设产品功能是从Komax Solar成串装置获得太阳能电池串并将所述太阳能电池串放置在玻璃基板上的特定位置中，其中所述玻璃基板形成有封装材料(EVA)层。如图6所示，机器人臂或42用于将串从成串机器44传送到玻璃基板。使用图1和图3所示的连接到机器人臂42的端部的拾取杆10拾取串。拾取杆10包括具有多个吸盘真空抓持装置12的细长主体11，其中所述吸盘真空抓持装置12包括用于抓持每一个电池并从主体的底部表面延伸的吸盘33。主体11的长度取决于要被抓持的电池的数量和尺寸，并且典型地可以大约为两米长。在图1和图3中，拾取杆10具有12个用于抓持达到12个电池长度的串的抓持装置12。安装机构13在端部之间定位在主体11的上表面上，用于将拾取杆10连接到机器人42的臂的自由端。

太阳能电池串并排放置成由特定数量串形成的矩阵。图2显示了由五个串22形成的示例性矩阵20，其中所述串平行地垂直延伸并且每一个都具有六个太阳能电池24。串可以具有更多或更少的太阳能电池。串22按照从“1”至“5”的“串号码”(“串#”)的顺序放置于玻璃基板或面板26上。关键性能挑战是使串22平行于彼此放置，且相邻边缘以用户指定的间隙28间隔开且位于玻璃基板26的中心。矩阵尺寸方面对于用户验收来说是关键的。

本发明的基本构思是将诸如照相机组件或等效物的两个传感器组件30定位在拾取杆10的主体11的侧表面上的分开的位置处，如图3所示。传感器位置基于串长度。图3将被定位成用于八电池串的传感器组件30显示为外壳箱。在串放置操作期间，这些传感器组件30用于检测电池24以提供相对于另一个特征或部件定位每一个串22或确定每一个串22相对于另一个特征或部件的位置的能力。这种特征或部件可以在从用于第一串位置或放置的参考基准27(图2)到位于玻璃基板26上的现有串22的范围内或这种特征或部件可以是从用于第一串位置或放置的参考基准27(图2)到位于玻璃基板26上的现有串22。

为了使串与面板对准，机器人臂42移动到靠近面板26的基准位置。具有相对于面板的边缘被校准的两个基准27(图2)。利用在传感器组件30中的照相机的视觉系统采集图像，所述图像包括被拾取杆10抓持的串22和基准特征或部件27。软件将从采集到的图像确定X、Y边缘信息或确定X、Y边缘位置信息并计算对机器人臂的X、Y和θ反馈以相对于基准补偿引入的串。进行多次重复直到位置或放置在期望公差内为止，其中在所述期望公差的点处，串22放置在面板26上。一旦完成与基准27的对准，机器人臂42将移动基准与面板之间的校准距离加上顾客所指定的用于太阳能电池串在面板上的期望位置的相对于面板的边缘的期望的距离。

为了使串与串对准，机器人臂42在玻璃基板26的表面正上方将串22定位在由材料的尺寸规格计算的X、Y位置。在该位置处，视觉系统将确定拾取杆10上的串22相对于已经在玻璃基板26上的相邻串22的位置。软件从采集到的图像确定X、Y边缘信息或确定X、Y边缘位置信息并计算对机器人的X、Y和θ反馈以相对于现有串补偿引入的串。进行多次重复直到位置或放置在期望公差范围内为止，其中在所述期望公差点处，串22放置在面板26上。

定位特征或部件可以是四个电池24的角部，并且玻璃基板26可以从背后照亮以提供电池的轮廓，如图4所示。电池角部可以在从方形到圆形的范围内。图4显示了圆形角部的最坏条件情形。感测机构的视场(FOV)尺寸应该大约为80-100mm长以获得在角部的倒角部分或圆角部分之外的充分的角部边缘信息。诸如前照光或顺光照明或环境光的任何类型的照明或照明装置也可以用于照亮定位特征或部件。

为了保持适应包括两个电池尺寸125mm和156mm的各种产品组合和各种串长度的灵活性，传感器组件30必须能够调节以沿着拾取杆10的主体11移动。

除了使用传感器组件30进行对准之外，传感器组件30还可以用于一旦串22已经放置在玻璃基板26上时检验成品尺寸或最终尺寸。在对准期间，一个串在面板上方大约5mm，但是为了测量，串已经放置在玻璃基板上并且传感器组件30用于在真空释放期间采集数据。所述数据将提供当串在其最终放置位置处时的距离的确认。该特征提供两个关键益处：

●在真实产品上测量尺寸的可靠方式。

●作为控制参数创立用于制造过程的参数的能力。

图5是被剖开以显示被定位成用于接收图像31的照相机32的传感器组件30中的一个的正视图，其中所述照相机32与安装在拾取杆10上的真空抓持装置12中的一个相邻。照相机32从与照相机一起安装在外壳36中的反射器34采集图像31。外壳36可滑动地安装在纵向延伸的轨道38上以允许照相机传感器30沿着主体11的长度进行调节。所述调节可以手动执行或通过致动器(未示出)执行。每一个真空抓持装置12包括四个吸盘33(参见图1和图3)，所述吸盘33被定位成大致方形图案并从安装在主体11的底部上的壳体35向下延伸。可以使用更多或更少的吸盘。吸盘33中的每一个都通过导管网37与真空源(未示出)流体连通。真空抓持装置12可以通过紧固件39连接到拾取杆主体11的底部表面。

虽然图5所示的照相机32从反射器34采集图像31，但是照相机可以被安装成向下拍摄从而省去反射器。此外，其它类型的适当的传感器可以代替照相机32。传感器的示例是可以确定距离和/或位置的基于激光束、霍尔效应、气流和超声波的传感器。

图6是根据本发明的太阳能电池串铺设系统40的立体图。系统40包括机器人臂42，所述机器人臂42具有通过安装机构13(图1和图3)安装在臂的自由端处的拾取杆10。机器人臂42的移动由在图7所示的铺设控制器52中运行的软件程序控制。太阳能电池串22由连接到成串器用户界面46并由成串器用户界面46操作的成串机器44制造而成。玻璃面板26被放置在由一对“C”形梁48代表的传送机的水平延伸表面上，其中拾取杆10可以定位在所述水平延伸表面上方上。铺设控制器52还控制真空到吸盘33的施加、由传感器组件30进行的位置信号的采集、传感器组件30沿着拾取杆12的移动以及传送机48的移动。

图7显示了根据本发明的方法的用于操作太阳能电池串铺设系统40的控制系统。铺设控制器52连接到用于从太阳能电池串铺设操作生成性能验证信息的视觉显示的显示屏幕54。铺设控制器52还连接到机器人臂42以控制所述机器人臂与连接到所述机器人臂42的拾取杆10一起的移动。控制器52还连接到真空源50、传送机48以及传感器组件30。如上所述，铺设控制器52使机器人臂42移动以将拾取杆10定位成与太阳能电池串22中的第一个太阳能电池串22相邻。控制器52致动真空源50以使吸盘33抓持太阳能电池串22中的电池24中相关的电池。然后，控制器52引导机器人臂42以将抓持的串22定位在放置在支撑传送机48上并移动到由控制器52引导的铺设位置的玻璃面板26上方。铺设控制器52启动传感器组件30以确定基准27的位置并引导机器人臂42以将第一串22定位在面板26上。然后，控制器52使真空源50移除真空以释放太阳能电池串22。控制器44然后对于每一个随后的太阳能电池串使用面板上的相邻太阳能电池串作为参考或基准重复上述操作。

根据专利法规条款，本发明已经描述了本发明的优选实施例。然而，应该注意的是本发明可以在不背离本发明的精神或保护范围的情况下以除了具体所示和所述的方式被实施。

Claims (18)

1.一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的拾取杆，包括：

细长主体，所述细长主体具有安装在所述细长主体上的多个真空抓持装置，所述多个真空抓持装置每一个都沿着所述主体间隔开以当所述真空抓持装置连接到真空源时抓持太阳能电池串的各个太阳能电池；和

至少一个传感器组件，所述至少一个传感器组件安装在所述拾取杆上以当所述太阳能电池串被所述真空抓持装置抓持时生成表示所述太阳能电池串的位置的信号，所述信号包括当所述拾取杆与太阳能电池基板邻近时太阳能电池基板的特征或部件的位置。

2.根据权利要求1所述的拾取杆，其中，所述真空抓持装置中的每一个都包括四个吸盘，所述吸盘与连接到用于生成真空的真空源的导管网流体连接。

3.根据权利要求1所述的拾取杆，其中，所述至少一个传感器组件包括用于采集所述太阳能电池串的图像并生成所述信号的照相机。

4.根据权利要求3所述的拾取杆，包括用于将所述图像引导到所述照相机的反射器。

5.根据权利要求1所述的拾取杆，包括连接到所述细长主体的轨道，并且其中所述传感器组件能够滑动地安装在所述轨道上以使所述传感器组件相对于所述真空抓持装置移动。

6.一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的系统，包括：

机器人臂；

拾取杆，所述拾取杆连接到所述机器人臂的自由端以抓持太阳能电池串，所述拾取杆具有细长主体，所述细长主体具有沿着所述主体间隔开的多个真空抓持装置，所述多个真空抓持装置每一个都用于抓持所述太阳能电池串的各个太阳能电池；

真空源，所述真空源与所述真空抓持装置流体连通并通过所述真空抓持装置施加真空以抓持所述太阳能电池；和

控制器，所述控制器连接到所述机器人臂以将被所述拾取杆抓持的太阳能电池串定位在基板上。

7.根据权利要求6所述的系统，包括安装在所述拾取杆上的一对传感器组件，所述一对传感器组件每一个都用于生成表示所述基板的特征或部件和所述太阳能电池串的部分的位置的信号，所述控制器连接到所述传感器组件并响应于所述信号以相对于所述基板定位被抓持的所述太阳能电池串。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述传感器组件中的每一个都包括用于采集所述特征或部件和所述位置的图像并生成所述信号的照相机。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述传感器组件中的每一个都包括用于将图像引导到所述照相机的反射器。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述特征或部件是所述基板上的基准和在所述基板上的另一个太阳能电池串的太阳能电池的角部边缘中的一种。

11.根据权利要求7所述的系统，包括显示屏幕，所述显示屏幕连接到所述控制器以显示由所述控制器响应于来自所述传感器组件的信号生成的性能验证信息。

12.根据权利要求7所述的系统，包括连接到所述主体的轨道，并且其中所述传感器组件能够滑动地安装在所述轨道上以使所述传感器组件相对于所述真空抓持装置移动。

13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述真空抓持装置中的每一个都包括四个吸盘，所述吸盘被定位成大致方形图案并与所述真空源流体连通。

14.一种用于将太阳能电池串铺设在基板上的方法，包括以下步骤：

提供拾取杆，所述拾取杆具有细长主体和安装在所述拾取杆上的传感器组件，所述细长主体具有多个真空抓持装置；

邻近太阳能电池串定位所述拾取杆并将真空施加到所述真空抓持装置以抓持所述太阳能电池串；

移动所述拾取杆以邻近基板的表面定位所述太阳能电池串；

操作所述传感器组件以生成表示基板的特征或部件和太阳能电池串的部分的位置的信号；以及

响应所述信号移动所述拾取杆以将所述太阳能电池串放置在所述基板上的期望位置并通过移除真空从所述拾取杆释放所述太阳能电池串。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，为了使串与基板对准，执行以下步骤：

(a)移动所述机器人臂以将所述拾取杆与所述太阳能电池串一起置于靠近所述基板的表面定位的基准位置处；

(b)操作所述传感器以生成所述信号，所述信号包括所述基板上的基准特征或部件和被所述拾取杆抓持的太阳能电池串的所述部分的位置；

(c)从所述信号确定X、Y边缘信息或确定X、Y边缘位置信息并计算对所述机器人臂的X、Y和θ反馈，并移动所述机器人臂以相对于所述基准特征或部件补偿所述太阳能电池串；

(d)在需要的情况下，至少重复一次步骤b)和c)，直到所述太阳能电池串定位在期望位置的期望公差内为止；以及

(e)操作所述机器人臂以将所述太阳能电池串放置在基板表面上。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，为了使串与串对准，执行以下步骤：

(a)移动所述机器人臂以将所述拾取杆与所述太阳能电池串一起置于由所述基板的尺寸规格计算出的X、Y位置处；

(b)操作所述传感器以生成所述信号，所述信号包括在所述基板上的另一个太阳能电池串的部分和被抓持的太阳能电池串的所述部分的位置；

(c)从所述信号确定X、Y边缘信息或确定X、Y边缘位置信息并计算对所述机器人臂的X、Y和θ反馈，并移动所述机器人臂以相对于所述另一个太阳能电池串补偿被抓持的所述太阳能电池串；

(d)在需要的情况下，至少重复一次步骤b)和c)，直到被抓持的所述太阳能电池串定位在期望位置的期望公差内为止；以及

(e)操作所述机器人臂以将被抓持的所述太阳能电池串放置在基板表面上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述信号包括所述另一个太阳能电池串的两个太阳能电池和被抓持的太阳能电池串的两个太阳能电池的相邻角部的位置。

18.根据权利要求14所述的方法，包括以下步骤：

将所述拾取杆安装在机器人臂的自由端上并控制所述机器人臂以执行所述定位步骤和所述移动步骤。

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