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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von ersten Fügepartnern wie Stromsammelleitern (Busbars) einer Solarzelle mit zumindest einem zweiten Fügepartner wie Querverbinder mittels Induktionslötens unter Verwendung mehrerer mit einer Stromquelle wie Hochfrequenzgenerator verbundenen Induktoren, die gleichzeitig auf eine entsprechende Anzahl von Lötstellen ausgerichtet werden.
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Beim Induktionslöten wird an eine Sekundärspule, einem sogenannten Induktor, eine Mittel- oder Hochfrequenzstromquelle angelegt. Der im Induktor fließende Wechselstrom induziert ein Magnetfeld, das in Fügepartnern einer Lötstelle Wirbelströme erzeugt, die die Erwärmung auf Löttemperatur bewirken. Das Induktionslöten hat sich auch beim stoffschlüssigen Verbinden von Leitern zum Verschalten von Solarzellen zu Solarzellenstrings bzw. -modulen bewährt.
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So ist aus der
DE-B-103 35 438 ein Verfahren zum Löten von Stromsammelleitern mehrerer Solarzellen mit einem gemeinsamen Querverbinder bekannt. Hierzu werden die einzelnen Lötstellen nacheinander von einem Induktor einer Induktionslötvorrichtung angefahren, wobei während des stoffschlüssigen Verbindens die Lötstelle mittels einer Andruckplatte kraftbeaufschlagt wird, in der der Induktor, also die Sekundärspule einer Mittel- oder Hochfrequenzstromquelle eingebettet ist.
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Um Solarzellen zu einem String zu verschalten, werden nach der
DE-A-10 2005 036 130 die die Solarzellen verbindenden Lötbänder mittels Induktionslöten verbunden.
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Bei einem Verfahren zum Verschalten von Solarzellen nach der
DE-A-10 2006 022 818 werden gleichzeitig mehrere Fügestellen eines Leitungsverbinders kontaktiert.
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Nach der
US-A-4,685,608 werden gleichzeitig mehrere Leiter auf einer Solarzelle mittels Induktoren stoffschlüssig verbunden, die von einem einzigen Generator versorgt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die gleichzeitig mit Hochfrequenzstrom beaufschlagten Spulen nicht gleichmäßig mit Energie versorgt werden, so dass sich unterschiedliche Wärmeverteilungen mit der Folge ergeben, dass reproduzierbare Lötergebnisse nicht erzielbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass reproduzierbar in kurzer Taktfolge eine Vielzahl von Fügepartnern stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere Solarzellen verschaltet werden, wobei gleichzeitig mehrere Stromsammelleiter mit einem Querverbinder verbunden werden sollen.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die einzelnen Induktoren zeitlich versetzt mit der einen Stromquelle derart verbunden werden, dass während der Erwärmung einer Lötstelle auf Löttemperatur die Verbindung der anderen Induktoren mit der Stromquelle unterbrochen wird.
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Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik sind mehrere als Einheit verstellbare Induktoren an einer gemeinsamen Stromquelle angeschlossen, wobei die Stromquelle durch Umschalten die Induktionsspulen zeitlich versetzt mit Strom beaufschlagt. Hierdurch bedingt ist eine gleichmäßige Energie- und Wärmeverteilung gewährleistet.
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Weiterhin müssen die gekoppelten Induktoren – im Gegensatz zu der bekannten Einfachinduktorlösung – nicht separat und zeitlich versetzt verfahren werden. Hierdurch lässt sich die für die Verlötung der Strings benötigte Zeit deutlich reduzieren. Der Durchsatz wird deutlich gesteigert.
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Dadurch, dass eine Stromquelle mehreren Induktoren zugeordnet ist, sind zudem kostenmäßige Vorteile gegeben, da die Zahl der Bauelemente im Vergleich zu bekannten Techniken, bei denen jeder Induktor mit einer gesonderten Stromquelle verbunden ist, reduziert wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Lötstellen in Reihen angeordnet werden, dass den Lötstellen n Induktoren mit n ≥ 3, vorzugsweise n ≥ 6, zugeordnet werden, und dass die n Induktoren mit einer einzigen Stromquelle wie Hochfrequenzgenerator zeitlich versetzt verbunden werden. Dabei geht jeder Induktor von einem Lötkopf aus.
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Nach einem weiteren Vorschlag sieht die Erfindung vor, dass den in Reihen angeordneten Lötstellen sechs Lötköpfe zugeordnet werden, wobei jeweils drei Lötköpfe über einen Umschalter mit jeweils einer gesonderten Stromquelle verbunden werden.
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Besonders gute Lötergebnisse ergeben sich auch dann, wenn aufeinanderfolgende Lötköpfe alternierend mit einer der zwei Stromquellen verbunden werden.
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Um aufeinanderfolgenden eng benachbarten Lötstellen jeweils einen Induktor zuzuordnen, ist vorgesehen, dass die Induktoren von Lötköpfen ausgehen, die derart angeordnet werden, dass aufeinanderfolgende Lötköpfe auf gegenüberliegenden Seiten einer Ebene verlaufen, die die Lötstellen durchsetzt und senkrecht oder nahezu senkrecht zu diesen verlauft. Dabei sollten von den Lötköpfen eigensteife Führungen für die Zuleitung der Induktoren ausgehen, wobei die Führungen aufeinanderfolgender Prüfköpfe in Richtung der Reihe der Lötstellen betrachtet ein symmetrisches Y bilden.
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Um eine gezielte Abkühlung der Lötstellen nach Aufheizen auf Löttemperatur sicherzustellen, wodurch die Reproduzierbarkeit der stoffschlüssigen Verbindungen weiter verbessert wird, ist vorgesehen, dass während des stoffschlüssigen Verbindens die Lötstelle über einen Wärme ableitenden Andruckstempel druckbeaufschlagt wird, in den der Induktor eingegossen sein kann. Dabei sollte der Andruckstempel zumindest nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Fügepartner gekühlt werden.
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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Andruckstempel und Induktor getrennt auszubilden.
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Des Weiteren kann die Lötstelle unabhängig oder ergänzend zu dem Andruckstempel mittels eines Niederhalters druckbeaufschlagt werden. Der Niederhalter besteht dabei vorzugsweise aus zwei Abschnitten, die zu beiden Seiten der Lötstelle auf zumindest einen der Fügepartner einwirkt, und zwar auf den in Bezug auf den Induktor diesem unmittelbar zugewandten Fügepartner.
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Die Lötköpfe werden mittels einer Handhabungseinrichtung auf die Lötstellen ausgerichtet, wobei insbesondere ein Linearantrieb zum Einsatz gelangen kann.
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Im Vergleich zu der Technik, bei der die Lötstellen nacheinander mittels eines einzigen Induktors angefahren werden, ergibt sich der Vorteil, dass die Lötstellen insgesamt während des Induktionslötens druckbeaufschlagt bleiben, so dass im erforderlichen Umfang eine gezielte Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Will man dies mit einem einzigen Lötkopf erreichen, so können sich unerwünschte Haltezeiten des Induktors auf einer Lötstelle nach dem stoffschlüssigen Verbinden ergeben, die von der erforderlichen Abkühlzeit abhängig sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung von von einem Linearantrieb ausgehenden Lötköpfen,
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2 drei in einer Reihe angeordnete Lötköpfe,
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3 drei Lötköpfe in V-Anordnung,
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4 einen Ausschnitt eines Lötkopfbereichs eines Induktors,
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5 ein erstes Layout zum Löten von Verbindern von Solarzallen,
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6 ein zweites Layout zum Löten von Verbindern von Solarzellen und
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7–9 weitere Layouts zum Löten von Verbindern von Solarzellen.
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In den Figuren, in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, sind rein prinzipielle Anordnungen zum Verschalten von Solarzellen dar gestellt, in denen die sogenannten Busbars oder Stromsammelleiter einzelner Solarzellen mit Querverbindern stoffschlüssig verbunden werden, über die die einzelnen Solarzellen untereinander verschaltet werden. Auch wenn die erfindungsgemäße Lehre für andere Anwendungsfälle geeignet ist, ist in dem Verschalten von Solarzellen ein bevorzugter Einsatz zu sehen.
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Zum stoffschlüssigen Verbinden der Fügepartner wird das Induktionslöten eingesetzt. Dieses hinlänglich bekannte Verfahren nutzt den elektromagnetischen Induktionseffekt zur Wärmeerzeugung aus. Dabei wird eine in einem Wechselstromkreis befindliche Sekundärspule – auch Induktor genannt – auf eine Lötstelle derart ausgerichtet, dass die Fügepartner in der Lötstelle erhitzt werden. Das sich verändernde elektrische Feld erzeugt in den Fügepartnern ein wechselndes Magnetfeld, welches wiederum durch ein elektrisches Wirbelfeld in den Fügepartnern die zum Löten notwendige Wärme erzeugt. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei Induktoren einer gemeinsamen Stromquelle zugeordnet werden. Die nachstehend vereinfacht als Hochfrequenzgenerator bezeichnete Stromquelle ist dabei über einen Umschalter mit den Induktoren derart verbunden, dass die Induktoren zeitlich versetzt von dem Wechselstrom durchflossen werden. Hierdurch bedingt ist eine gleichmäßige Energie- und Wärmeverteilung gewährleistet.
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Der das Wechselfeld erzeugende Induktor geht von einem Lötkopf 10, 12 aus, der wiederum mit einer Handhabungseinrichtung verbunden ist. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Handhabungseinrichtung um einen Linearantrieb 14, mittels dem die Lötköpfe 10, 12 auf die Lötstellen ausrichtbar und auf diese derart absenkbar sind, dass das zur Wärmeerzeugung benötigte Magnetfeld induziert wird und gleichzeitig die Fügepartner positionsgenau zu dem Induktor ausgerichtet sind.
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Hierzu ist entsprechend der 1 in jedem Lötkörper 10, 12 der nicht erkennbare Induktor von einem Keramikstempel 16, 18 umgeben, d. h. in diesen eingegossen, der auf die Lötstelle aufsetzbar ist. Gegebenenfalls kann zu beiden Seiten des insbesondere aus Keramik bestehenden Stempels 16, 18 ein Niederhalter 20, 22, 24, 26 vorgesehen sein, der in ortsfester Beziehung zu dem Stempel 16, 18 steht und von dem Lötkopf 10, 12 ausgeht.
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Um nach dem Fügen im erforderlichen Umfang Wärme abzuleiten, kann der Stempel 16, 18 gekühlt werden und zum Beispiel von einem Fluid wie Wasser durchströmt werden.
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Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Konstruktionen von Lötköpfen Bezug genommen, die beim Induktionslöten zum Einsatz gelangen.
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Aus den 2 und 3 ergibt sich, dass nebeneinander angeordnete Lötköpfe 28, 30, 32 in Reihe angeordnet sein können oder gemäß der 3 eine V-Anordnung bilden. Letztere bietet den Vorteil, dass der mit der Handhabungseinrichtung wie dem Linearantrieb 14 verbundene Lötköpfe 36, 38, 40 derart zueinander ausgerichtet werden können, dass ungeachtet recht großer Kopfteile der Lötköpfe die Möglichkeit besteht, die Induktoren eng zueinander zu positionieren.
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Aus der 3 wird ersichtlich, dass die von Keramikstempeln 16 umgebenden Induktoren 34 im relativ geringen Abstand von z. B. 50 mm in Reihe zueinander ausgerichtet sein können, gleichwenn die Köpfe 36, 38, 40, d. h. deren Kopfteil, in ihren Dimensionierungen in Richtung der Reihe betrachtet erheblich größere Abmessungen aufweisen. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass aufeinanderfolgende Lötköpfe und damit Kopfteile 36, 38 bzw. 38, 40 auf gegenüberliegenden Seiten einer Ebene 42 angeordnet sind, die die Induktoren 34 durchsetzt und senkrecht zu der von diesen aufgespannten Ebene und somit senkrecht zu der von den Lötstellen aufgespannten Ebenen verlaufen. Dies ergibt sich selbsterklärend aus der 3.
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Anhand der 4 soll noch einmal verdeutlicht werden, dass Fügepartner 44, 46 im Bereich ihrer Lötstelle 48 druckbeaufschlagt werden, und zwar zum einen unmittelbar in der Lötstelle 48 durch den vorzugsweise aus Keramik bestehenden und den Induktor aufweisenden Stempel 16 und zum anderen von zu beiden Seiten des Stempels 12 angeordneten Niederhaltern 20, 22. Diese stützen sich im Ausführungsbeispiel auf den einen Querverbinder darstellenden Fügepartner 44 ab, unterhalb von dem ein Busbar 46 verläuft. Ferner erkennt man in der 4 Solarzellen 50, 52, die über den Querverbinder 44 verschaltet werden.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Stromgenerator mit mehreren Induktoren über einen Umschalter verbunden, um zeitlich versetzt nacheinander jeweils einen Induktor mit Strom durchfließen zu lassen. Entsprechende Anordnungen bzw. Layouts ergeben sich aus den 5–9.
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So sind in 5 Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 dargestellt, deren Busbars A, B, C mit Querverbindern 66, 68 stoffschlüssig verbunden werden sollen. Hierzu gehen von dem Linearantrieb 14 Lötköpfe 1, 2, 3, 4, 5, 6 aus, die über Leitungen 72, 74, 76, 78, 80 mit einem Umschalter 96 verbunden sind, der seinerseits mit einem Hochfrequenzgenerator 84 verbunden ist. Die von den Lötköpfen 1, 2, 3, 4, 5, 6 ausgehenden Induktoren sind derart zueinander ausgerichtet, dass diese gleichzeitig auf einen der Busbars A, B, C der Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 ausrichtbar sind. Im Ausführungsbeispiel werden die Induktoren zunächst auf die Busbars A der Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 ausgerichtet. Sodann werden zeitlich nacheinander die Busbars A mit den Querverbindern 66, 68 stoffschlüssig verbunden, also zunächst der Busbar A der Solarzelle mit dem Querverbinder 66, der Busbar A der Solarzelle 56 mit dem Querverbinder 68 usw., bis der Busbar A der Solarzelle 64 mit dem Querverbinder 66 verbunden ist.
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Anschließend wird der Linearantrieb 14 derart verstellt, dass die Induktoren auf die Busbars B der Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 ausgerichtet sind, um sodann entsprechend der beschriebenen Art die Busbars B zeitlich nacheinander mit den Querverbindern 66, 68 stoffschlüssig zu verbinden. Anschließend werden die Busbars C der Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 an die Querverbinder 66, 68 gelötet. Die Zeitabfolge der Lötungen ergibt sich auch aus der Beschriftung A1, A2,... C8 in der 5.
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Während des zeitlich versetzten Lötens bleiben die Stempel bzw. Niederhalter der einzelnen Lötköpfe 1, 2, 3, 4, 5, 6 in Kontakt mit den Lötstellen A bzw. B bzw. C, so dass infolgedessen im erforderlichen Umfang eine Wärmeableitung erfolgen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 werden gleichfalls entsprechend der 5 Solarzellen 54, 56, 58, 60, 62, 64 über deren Busbars A, B, C mit den Querverbindern 66, 68 verbunden. Allerdings gelangen zwei Generatoren 86, 88 zum Einsatz, die jeweils über einen Umschalter 90, 92 mit jeweils drei Lötköpfen 1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6 entsprechend des dargstellten Layouts verbunden sind. Mit einer entsprechenden Anordnung können gleichzeitig zwei Lötungen durchgeführt werden, wobei jedoch stets nur einer der mit einem der Generatoren 86 bzw. 88 verbindbaren Lötköpfe 1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6 über den Umschalter 90 bzw. 92 mit Strom beaufschlagt wird. So werden zunächst die Busbars A der Solarzellen 62, 64 an die Querverbinder 66, 68 gelötet (A5, A6), um sodann die Busbars A der Solarzellen 58, 60 zu löten (A3, A4) etc., bis zum Schluss die Busbars C der Solarzellen 54, 56 stoffschlüssig mit dem Querverbinder 66, 68 verbunden werden (C1, C2).
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Den 7–9 sind weitere Layouts zu entnehmen, wobei in der 7 ein Hochfrequenzgenerator 94 insgesamt 12 Induktoren beaufschlagt und der Hochfrequenzgenerator mit zwei Umschaltern 96, 98 verbunden ist, über die zeitlich versetzt die in jeweils einer Reihe angeordneten sechs Induktoren mit Strom beaufschlagbar sind.
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Bei dem Layout der 8 sind zwei Hochfrequenzgeneratoren 100, 102 mit jeweils einem Umschalter 104, 106 vorgesehen, wobei jeder Umschalter 104, 106 zu drei Induktoren führt, die Querverbinder mit Busbars von in zwei Reihen angeordneten Solarzellen stoffschlüssig verbinden.
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Aus dem Layout der 9 erkennt man, dass die Erfindung auch dann verwirklicht wird, wenn in zwei Reihen angeordnete Solarzellen mittels Induktoren zeitlich versetzt verschaltet werden, denen insgesamt vier Generatoren 108, 110, 112, 114 zugeordnet sind, die wiederum über jeweils einen Umschalter 116, 118, 120, 112 mit den Lötköpfen bzw. Induktoren verbunden sind.
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Dabei werden aufeinanderfolgende und einer Reihe zugeordnete Induktoren abwechselnd mit einem der Generatoren 108, 110 bzw. 112, 114 über die Umschalter 116, 118 bzw. 120, 122 verbunden.
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Im Übrigen sind die Layouts selbsterklärend und offenbaren erfindungswesentliche Merkmale.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10335438 B [0003]
- DE 102005036130 A [0004]
- DE 102006022818 A [0005]
- US 4685608 A [0006]
