一 引言

　　太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力，進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國家大型工程項(xiàng)目、推廣計(jì)劃和國際合作項(xiàng)目的推動(dòng)下，以前所未有的速度迅速發(fā)展。但目前我國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小、基礎(chǔ)薄弱，太陽電池組件制造的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，企業(yè)缺乏產(chǎn)品的技術(shù)核心，相關(guān)部件的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高。為了滿足我國太陽電池組件生產(chǎn)企業(yè)對封裝設(shè)備的要求，在各種電氣及機(jī)械設(shè)備法規(guī)的規(guī)定下，結(jié)合當(dāng)今太陽電池組件層壓機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用問題，對半自動(dòng)太陽電池組件層壓機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　圖1 太陽電池組件層壓機(jī)三維模型圖

　　圖2 太陽電池組件層壓機(jī)實(shí)物圖

　　二 太陽電池組件層壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1 太陽電池組件層壓機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　半自動(dòng)太陽電池組件層壓機(jī)由機(jī)體、下真空室、起升鉸架、上真空室、加熱板、起升氣缸六個(gè)部分組成。如圖1，2所示。

　　2 太陽電池組件層壓機(jī)的工作過程

　　太陽電池組件層壓機(jī)的工作過程：打開層壓機(jī)，按下加熱按鈕，設(shè)定好工作溫度，待加熱板溫度達(dá)到指定溫度后，將層疊好的電池片放人層壓室中，合上蓋后進(jìn)行下室抽氣。將層疊好的太陽電池板放置在兩層玻璃布間(屬于下真空室部分)，EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物膠膜)在層壓機(jī)內(nèi)開始受熱，達(dá)到熔融狀態(tài)。EVA與電池板、玻璃，TPT(太陽能背板專用復(fù)合膜)之間如有空氣存在，下室抽氣(抽真空)可以將這些間隙中的空氣排除。抽氣之后對上真空室充氣進(jìn)行加壓。在加壓過程中，下室繼續(xù)抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構(gòu)成的上真空室，充氣后體積膨脹(由于下室抽真空)充斥整個(gè)上、下室之間，擠壓放置在下室的電池片、EVA等，熔融后的EVA在擠壓和下室抽空的作用下，流動(dòng)充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時(shí)排出中間的氣泡。

　　在前兩個(gè)過程中，下室處于真空狀態(tài)，在大氣壓力作用下，上蓋受向下的壓力。然后利用設(shè)置在上蓋的四個(gè)起升鉸架將上蓋打開，取出電池片開蓋時(shí)，下室充氣，上室抽空，使放電池組件的下腔氣壓與大氣壓平衡，利用設(shè)置在上蓋的四個(gè)起升鉸架將上蓋打開，再進(jìn)行下一塊電池組件的封裝。

　　3 太陽電池組件層壓機(jī)的性能參數(shù)

　　太陽電池組件層壓機(jī)的生產(chǎn)能力為5600W/d,工作面積2200mm X 1750mm，層壓機(jī)總功率23kW，抽真空時(shí)間5---7min，工作面溫度不均勻性11.5C以內(nèi)。

　　三 太陽電池組件層壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析

　　Mechanism是Pro/E的機(jī)構(gòu)模塊，具有很強(qiáng)的機(jī)構(gòu)仿真功能，通過軟件對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真和分析能夠模擬真實(shí)環(huán)境中傳動(dòng)裝置的工作狀況，并對其進(jìn)行分析和判斷，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和潛在的失敗可能，提前進(jìn)行改善和修正，以減少后期修改而付出的寶貴代價(jià)，縮短設(shè)計(jì)周期。

　　打開太陽電池組件層壓機(jī)裝配圖，點(diǎn)擊主菜單中的“應(yīng)用程序”菜單，選擇菜單中的“機(jī)構(gòu)”項(xiàng)，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊。對各個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行定義，如圖3所示，對各個(gè)運(yùn)動(dòng)件設(shè)定12個(gè)連接并設(shè)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過Mechanism模塊對太陽電池組件層壓機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以看出該機(jī)構(gòu)能夠按照最初設(shè)計(jì)的要求工作，并且各個(gè)機(jī)構(gòu)之間沒有發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的現(xiàn)象。

　　圖3 起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析示意圖

　　四 起升鉸架的有限元分析

　　起升鉸架在工作過程中要承受來自上真空室的交變載荷，其力學(xué)性能和機(jī)械性能直接影響太陽電池組件層壓機(jī)的工作可靠性。起升鉸架的變形和折斷是失效的主要原因，為簡化模型，提高分析效率，對起升鉸架進(jìn)行受力分析時(shí)，按以下步驟對起升鉸架進(jìn)行有限元分析。

　　1 實(shí)體建模

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)要求采用Pro/E的三維建模技術(shù)，根據(jù)與其配合其它零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，建立起升鉸架的三維模型圖，如圖4所示。

　　圖4 起升鉸架模型圖

　　2 定義約束及載荷

　　約束和載荷都是在Pro/Mechanica里用來仿真實(shí)物的重要依據(jù)，“約束”是針對實(shí)際的情況，對結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面的自由度做一約束。對起升鉸架模型的四個(gè)鉸接點(diǎn)施加柱面約束，如圖5所示。

　　圖5 起升鉸架約束和載荷圖

　　對起升鉸架添加載荷，選擇鉸架上四個(gè)鉸接處的柱面作為鉸架受力的作用面，定義鉸架所承受的載荷，如圖5所示，該鉸架所承受的載荷為Fx1=ON，F(xiàn)y1=-12451.9N;Fx2=0N;Fy2=10501.9N;FX3=一10552.3N，F(xiàn)y3=1950N; Fx4=10552.3N，F(xiàn)y4=0N。

　　3 定義材料特征

　　定義材料特征要盡量符合實(shí)際材料的性能，使其分析結(jié)果能夠近似于真實(shí)狀況。起升鉸架采用的是Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼材料，其材料特征定義為質(zhì)量密度Kg·mm-3 ： 7.82E-06;楊氏模量/MPa：2E+005;泊松比：0.27;抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度/MPa： 375;疲勞強(qiáng)度系數(shù);1.0;剪切模量/MPa：0.79E+005;表面特性：polished。

　　4 網(wǎng)格劃分

　　為獲得良好的網(wǎng)格質(zhì)量和足夠的分析精度，同時(shí)又滿足普通設(shè)計(jì)快速劃分網(wǎng)格的應(yīng)用要求，選用4節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

　　圖6 網(wǎng)格示意圖

　　5 應(yīng)力分析求解

　　為起升鉸架定義了約束和載荷后再進(jìn)行力學(xué)分析。靜態(tài)分析將根據(jù)模型中指定的約束和載荷，計(jì)算模型中的變形、應(yīng)力和應(yīng)變。靜態(tài)分析會(huì)告訴設(shè)計(jì)者模型是否可以承受得住指定的載荷條件，零件所能承受的臨界點(diǎn)在何處，以及變形的位移量是多少。分析云圖如圖7、圖8所示。

　　圖7 模型的應(yīng)力變化云圖

　　由結(jié)果云圖可知，起升鉸架在靜載工況下，承受的最大應(yīng)力為245MPa，查閱相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可以看出，最大應(yīng)力小于所選鉸架材料許用應(yīng)力(375MPa)要求，最大變形量為6mm。符合設(shè)計(jì)要求且有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

　　圖8 模型的變形云圖

　　五 結(jié)論

　　使用Pro/E軟件對太陽電池組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)，其三維造型、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析的設(shè)計(jì)理念及方法可以大大減少工作量，提高工作效率;通過機(jī)械仿真，對各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，從而檢查機(jī)械的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各種構(gòu)件是否發(fā)生干涉，將在整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)通過使用有限元分析模塊對傳動(dòng)裝置進(jìn)行靜力分析計(jì)算，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，分析比較，為確定最終方案帶來了很大的便利。

　　經(jīng)過對樣機(jī)的試制、裝配和調(diào)試，該太陽電池組件層壓機(jī)能夠很好地滿足太陽電沁的封裝要求，采用該設(shè)備封裝的太陽電池組件經(jīng)測試符合GB/T6495.1一1996，GB/T6495.2-1996標(biāo)準(zhǔn)要求，具有以下特點(diǎn)：

　　(1)產(chǎn)品采用用戶界面人性化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高;

　　(2)操作簡單、安全，維修方便，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低;

　　(3)采用三次層壓工藝，自動(dòng)完成加熱、抽真空、層壓等生產(chǎn)工藝過程，具有自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定、粘結(jié)牢度大、