一 引言

　　太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力，進入21世紀以來，世界太陽能光伏發電產業快速發展，我國光伏產業在國家大型工程項目、推廣計劃和國際合作項目的推動下，以前所未有的速度迅速發展。但目前我國光伏產業規模較小、基礎薄弱，太陽電池組件制造的關鍵設備主要依靠進口，企業缺乏產品的技術核心，相關部件的產品質量和技術水平還有待進一步提高。為了滿足我國太陽電池組件生產企業對封裝設備的要求，在各種電氣及機械設備法規的規定下，結合當今太陽電池組件層壓機的發展狀況，考慮到經濟實用問題，對半自動太陽電池組件層壓機進行設計。

　　圖1 太陽電池組件層壓機三維模型圖

　　圖2 太陽電池組件層壓機實物圖

　　二 太陽電池組件層壓機整體結構設計

　　1 太陽電池組件層壓機的結構

　　半自動太陽電池組件層壓機由機體、下真空室、起升鉸架、上真空室、加熱板、起升氣缸六個部分組成。如圖1，2所示。

　　2 太陽電池組件層壓機的工作過程

　　太陽電池組件層壓機的工作過程：打開層壓機，按下加熱按鈕，設定好工作溫度，待加熱板溫度達到指定溫度后，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)在層壓機內開始受熱，達到熔融狀態。EVA與電池板、玻璃，TPT(太陽能背板專用復合膜)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行加壓。在加壓過程中，下室繼續抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構成的上真空室，充氣后體積膨脹(由于下室抽真空)充斥整個上、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，流動充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時排出中間的氣泡。

　　在前兩個過程中，下室處于真空狀態，在大氣壓力作用下，上蓋受向下的壓力。然后利用設置在上蓋的四個起升鉸架將上蓋打開，取出電池片開蓋時，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，利用設置在上蓋的四個起升鉸架將上蓋打開，再進行下一塊電池組件的封裝。

　　3 太陽電池組件層壓機的性能參數

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

　　三 太陽電池組件層壓機的運動分析

　　Mechanism是Pro/E的機構模塊，具有很強的機構仿真功能，通過軟件對設計模型進行仿真和分析能夠模擬真實環境中傳動裝置的工作狀況，并對其進行分析和判斷，以盡早發現設計缺陷和潛在的失敗可能，提前進行改善和修正，以減少后期修改而付出的寶貴代價，縮短設計周期。

　　打開太陽電池組件層壓機裝配圖，點擊主菜單中的“應用程序”菜單，選擇菜單中的“機構”項，進入機構運動仿真模塊。對各個運動副進行定義，如圖3所示，對各個運動件設定12個連接并設定運動參數，通過Mechanism模塊對太陽電池組件層壓機進行運動仿真，可以看出該機構能夠按照最初設計的要求工作，并且各個機構之間沒有發生運動干涉的現象。

　　圖3 起升機構的運動分析示意圖

　　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，其力學性能和機械性能直接影響太陽電池組件層壓機的工作可靠性。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，對起升鉸架進行受力分析時，按以下步驟對起升鉸架進行有限元分析。

　　1 實體建模

　　在結構設計中，根據整個設計要求采用Pro/E的三維建模技術，根據與其配合其它零部件的結構尺寸，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里用來仿真實物的重要依據，“約束”是針對實際的情況，對結構的點、線、面的自由度做一約束。對起升鉸架模型的四個鉸接點施加柱面約束，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，Fy1=-12451.9N;Fx2=0N;Fy2=10501.9N;FX3=一10552.3N，Fy3=1950N; Fx4=10552.3N，Fy4=0N。

　　3 定義材料特征

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

　　4 網格劃分

　　為獲得良好的網格質量和足夠的分析精度，同時又滿足普通設計快速劃分網格的應用要求，選用4節點四面體單元進行網格劃分，如圖6所示。

　　圖6 網格示意圖

　　5 應力分析求解

　　為起升鉸架定義了約束和載荷后再進行力學分析。靜態分析將根據模型中指定的約束和載荷，計算模型中的變形、應力和應變。靜態分析會告訴設計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 模型的應力變化云圖

　　由結果云圖可知，起升鉸架在靜載工況下，承受的最大應力為245MPa，查閱相關機械設計手冊可以看出，最大應力小于所選鉸架材料許用應力(375MPa)要求，最大變形量為6mm。符合設計要求且有足夠的強度儲備。

　　圖8 模型的變形云圖

　　五 結論

　　使用Pro/E軟件對太陽電池組件層壓機的設計，其三維造型、運動仿真和有限元分析的設計理念及方法可以大大減少工作量，提高工作效率;通過機械仿真，對各種零件進行裝配后模擬機械的運動，從而檢查機械的運動是否達到設計要求，各種構件是否發生干涉，將在整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態通過使用有限元分析模塊對傳動裝置進行靜力分析計算，及時調整和優化模型結構，分析比較，為確定最終方案帶來了很大的便利。

　　經過對樣機的試制、裝配和調試，該太陽電池組件層壓機能夠很好地滿足太陽電沁的封裝要求，采用該設備封裝的太陽電池組件經測試符合GB/T6495.1一1996，GB/T6495.2-1996標準要求，具有以下特點：

　　(1)產品采用用戶界面人性化設計，標準化程度高;

　　(2)操作簡單、安全，維修方便，工人勞動強度低;

　　(3)采用三次層壓工藝，自動完成加熱、抽真空、層壓等生產工藝過程，具有自動化程度高、性能穩定、粘結牢度大、