太陽(yáng)能電池印刷線(xiàn)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于朋揚(yáng)，楊志，任曉慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

太陽(yáng)能電池的印刷屬于光伏產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其傳輸系統(tǒng)更是連接各個(gè)印刷步驟的橋梁，貫穿印刷的各個(gè)環(huán)節(jié)，它的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能電池印刷線(xiàn)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

1 電池印刷工藝線(xiàn)流程

太陽(yáng)能電池印刷工藝多種多樣，本文通過(guò)一個(gè)典型印刷線(xiàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。該線(xiàn)電池片生產(chǎn)需進(jìn)行2次正面印刷和2次背面印刷，其整線(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 典型的電池印刷線(xiàn)工藝流程圖

在太陽(yáng)能電池印刷系統(tǒng)中，傳輸機(jī)構(gòu)是連接印刷主機(jī)、緩沖機(jī)和翻片機(jī)等各系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其重復(fù)使用率極高。因此，它的平穩(wěn)性和成本將直接對(duì)整線(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生很大影響。

2 傳輸系統(tǒng)優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化前，傳輸系統(tǒng)主要由各個(gè)獨(dú)立傳輸機(jī)構(gòu)按順序排列組合而成，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且每一個(gè)傳輸機(jī)構(gòu)都需要配置至少1組電機(jī)，在整線(xiàn)組合后成本較高。根據(jù)墨菲法則，有可能出錯(cuò)的事情就會(huì)出錯(cuò)。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，可靠性也就越高。根據(jù)這一原則，對(duì)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)采用可拆卸模塊化傳輸代替了之前的獨(dú)立傳輸，不僅使電池片在傳輸中運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少了在過(guò)渡過(guò)程中可能出現(xiàn)的不確定性因素，而節(jié)省了所用的電機(jī)數(shù)量，使整套設(shè)備的成本有所降低。

2.1 優(yōu)化前的傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)優(yōu)化前采用的傳輸機(jī)構(gòu)類(lèi)型超過(guò)10種，整線(xiàn)由20多段傳輸機(jī)構(gòu)拼接而成。選擇傳輸系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，此部分由三段獨(dú)立傳輸機(jī)構(gòu)水平排布組成，如圖2所示，共使用了3組電機(jī)、1組夾緊氣缸。由于是三段機(jī)構(gòu)拼接而成，其各段帶速、皮帶高度都會(huì)對(duì)電池片傳輸產(chǎn)生重要影響，控制電池片平穩(wěn)傳輸需要較高的配合精度。由于帶輪較多，無(wú)形中也增加了在傳輸方向的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 優(yōu)化的傳輸系統(tǒng)

優(yōu)化后的傳輸系統(tǒng)將以前獨(dú)立的傳輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行整合，其部分結(jié)構(gòu)如圖3所示，優(yōu)化后的系統(tǒng)為一個(gè)整體。其傳輸系統(tǒng)的主體主要由一個(gè)平板和兩個(gè)相同的支撐座構(gòu)成。只需在支撐座上面進(jìn)行相應(yīng)的模塊化組裝就可以使其變成不同類(lèi)型的傳輸機(jī)構(gòu)，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能與優(yōu)化前的系統(tǒng)完全相同。由于整體化處理，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度降低，傳輸平穩(wěn)性有所提高，所需的全部功能都可以由改變支撐座上組裝的模塊完成，相對(duì)于優(yōu)化前的傳輸系統(tǒng)，后者的適用范圍更加廣闊，結(jié)構(gòu)變化也更加靈活，并且節(jié)約了許多帶輪、電機(jī)等外購(gòu)件，其產(chǎn)品成本得以下降。

圖2 優(yōu)化前的傳輸系統(tǒng)

圖3 優(yōu)化的傳輸系統(tǒng)

3 優(yōu)化后系統(tǒng)細(xì)節(jié)分析

由于優(yōu)化后的系統(tǒng)采用整體傳輸代替了傳統(tǒng)的獨(dú)立傳輸，導(dǎo)致支撐座之間跨度大大增加，力學(xué)性能有所降低，所以需要考慮其在大跨度下的形變問(wèn)題。

3.1 有限元仿真分析

由于電池片本身很輕，且在運(yùn)行中并無(wú)明顯震動(dòng)，因此其慣性和阻尼可以忽略，只需應(yīng)用ANSYS Workbench軟件靜力學(xué)模塊對(duì)其進(jìn)行分析即可。由于對(duì)傳輸系統(tǒng)模型的有限元分析較為復(fù)雜，因此分析時(shí)忽略一些非重要結(jié)構(gòu)及其力學(xué)載荷，對(duì)其進(jìn)行必要簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后模型如圖4所示。

對(duì)模型僅加載自重載荷，通過(guò)總形變值收斂的方法對(duì)不同網(wǎng)格劃分精度的模型進(jìn)行遞進(jìn)計(jì)算，最終取得其網(wǎng)格無(wú)關(guān)解，其結(jié)果及最終網(wǎng)格劃分模型如圖5所示。由圖表可知，隨著網(wǎng)格的進(jìn)一步細(xì)分，其形變值呈現(xiàn)明顯收斂趨勢(shì)，當(dāng)最后一次高精度網(wǎng)格劃分求解后，其形變值與上次差別僅0.015%，可以認(rèn)為其形變解為網(wǎng)格無(wú)關(guān)解。

圖4 簡(jiǎn)化后的傳輸系統(tǒng)

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)解與網(wǎng)格劃分模型

圖6為跨距1 450 mm的傳輸系統(tǒng)總形變?cè)茍D，從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)中段只在自重作用下就會(huì)產(chǎn)生0.116 7 mm的形變，對(duì)于傳輸?shù)钠椒€(wěn)性具有一定的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

為了降低設(shè)備制造成本同時(shí)提高電池片傳輸?shù)钠椒€(wěn)性，可以在系統(tǒng)中段增加一個(gè)支撐座。在保證強(qiáng)度的前提下將上層平板厚度進(jìn)行削減，并將圖4中與支撐座接觸的兩條細(xì)長(zhǎng)支撐梁寬度尺寸縮減，使其變成瘦高矩形截面以增加抗彎截面模量，提高整體剛度。

按此方法對(duì)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)軟件對(duì)其加載與優(yōu)化前相同的邊界條件，其最終總形變結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，其最大形變量為0.007 468 mm，總形變較之前者減少了93.6%，可見(jiàn)優(yōu)化的效果非常明顯。

圖6 傳輸系統(tǒng)總形變?cè)茍D（變形放大680倍）

圖7 優(yōu)化后模型總形變?cè)茍D（變形放大10 590倍）

進(jìn)一步優(yōu)化后的傳輸系統(tǒng)雖然多增加了一個(gè)支撐座，但在傳輸方向的板件及支撐梁結(jié)構(gòu)尺寸縮減，整體成本反倒有所減少。

4 力學(xué)驗(yàn)證

對(duì)其有限元軟件仿真的模型進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。為方便力學(xué)計(jì)算，可將模型近似等效為一根受均布載荷作用的簡(jiǎn)支梁，其簡(jiǎn)圖如圖8所示。由圖可知，中間支撐為固定鉸支撐，所受均布載荷相對(duì)于它左右對(duì)稱(chēng)。

圖8 傳輸系統(tǒng)力學(xué)簡(jiǎn)圖

左右均布載荷對(duì)中間固定鉸會(huì)產(chǎn)生彎矩作用，其彎矩最終相互平衡，可近似認(rèn)為其左右撓曲變形量相同。因此可將模型沿對(duì)稱(chēng)軸截?cái)?，任取一段進(jìn)行分析。進(jìn)一步簡(jiǎn)化后的模型如圖9所示。

圖9 進(jìn)一步簡(jiǎn)化的力學(xué)簡(jiǎn)圖

將彈性模量與慣性矩等參數(shù)代入式(2)，則可以計(jì)算出簡(jiǎn)支梁最大撓度，約為0.018 6 mm，其值與軟件分析得到的結(jié)果相差不大，滿(mǎn)足工程使用要求，進(jìn)一步證明結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)原傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了一種模塊化的傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)將原來(lái)的分段式傳輸變?yōu)檎w傳輸，在降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)減少了外購(gòu)件使用數(shù)量，既提升了傳輸?shù)钠椒€(wěn)性又降低了設(shè)備的成本。并針對(duì)新傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，使系統(tǒng)總形變量與成本再次降低。最后通過(guò)力學(xué)近似計(jì)算，驗(yàn)證了優(yōu)化的合理性。

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