摘要：
该文介绍了一款新型的太阳能电池电极干燥及烧结炉。通过全新的炉内气流流场及排气系统结构设计，减少挥发性有机物在炉内的积聚从而大幅延长保养周期。通过使用新型冷却器大幅增加冷却斜率，增强冷却效果，同时降低了制造成本。通过滚刷系统替代了超声波系统，实现了传送网带的实时清洁且降低了成本。通过取消炉室和冷却系统的压缩空气，降低了设备的使用成本。
1背景介绍
随着单晶硅和多晶硅太阳能电池制造技术的发展，市场对作为后道工艺设备的干燥炉和烧结炉的要求也在变化。从公司市场部和销售部的反馈信息来看，公司现有的干燥炉和烧结炉产品已经越来越不能满足市场的需要，最直接的反馈就是销量的下滑。针对这样的情况，公司急需对现有产品进行升级换代。为了更清楚地了解晶硅电池生产厂商对设备的要求，笔者作为公司设计部的代表和市场部的同事一同走访了国内主要的设备用户。从客户的反馈信息来看，对设备的改进要求主要围绕着提高产量上，具体来说体现在以下几个方面：(1)更高的网带速度和更小的电池间距；（2）更长的设备保养周期；（3）出口处更低的电池表面温度。
2分析
2.1网带速度和电池间距
“提高网带速度和减小电池间距”意味着对辐射加热单元提出了更高的要求。设备原来的辐射加热灯管在最大网带速度下，已经工作在满功率的90%。更高的网带速度和更小的电池片间距，需要增大辐射加热灯管的功率。
2.2保养周期
保养周期短是目前困扰晶硅太阳能电池生产厂商的一大问题。对于生产厂商来说，保养主要要做以下几方面的工作：（1）去除凝结和固化的挥发性有机物；（2）清洁网带；（3）检查辐射加热灯管，如有必要则进行更换；（4）检查支撑网带的石英管/棒，对磨损严重的进行更换。
影响保养周期的因素主要为前两项，其中尤其以去除凝结/固化的挥发性有机物最为重要。在晶硅太阳能电池的生产工艺中，正负电极和铝背场是以丝网印刷的方式将银浆料和铝浆料印在处理过的晶硅片上，然后再进入干燥炉和烧结炉中进行干燥和电极的金属化烧结。这种工艺就决定了在生产过程中会有大量的挥发性有机物（VOC）产生。挥发性有机物在遇到低温光滑表面会发生凝结，因此，如不能及时将其排放到设备外进行无害化处理，挥发性有机物就会在设备内积聚、凝结、甚至燃烧。根据干燥炉和烧结炉温度设定的不同，气化的挥发性有机物主要在干燥炉和烧结炉的初段产生，尤其以干燥炉中产生的量最大。
图1为目前市场上主流的干燥和烧结炉的炉室外形结构布局，从布局图中可以看出炉室中挥发性有机物的排放是通过位于炉顶的气体排放管将富含挥发性有机物的空气排放到工厂的收集管道中。气体排放管的结构为文丘利管结构，如图2所示，压缩空气从细管入口进入，从细管出口流出，由于压缩空气的压力比较高，在细管出口的高压喷射气流会在排气管的进口段形成负压，从而将炉室内富含挥发性有机物的空气吸入排气管内随压缩空气一道排入工厂的气体收集通道内。这种排气管由于其工作原理和结构的特点，有其先天的缺陷。当炉内的热空气在高压气流所产生的抽吸作用下流入气体排放管，冷热气流会发生混合。热空气中的挥发性有机物，在温度降低时饱和浓度会降低，凝结的液滴和固体颗粒会附着在气体排放管的内表面及细管出口处。当聚积在排放管内表面时，会使气流通道变窄，时间一长会造成气体排放能力的严重下降。当液态及固态的凝结物积聚在细管出口时，会造成出口的部分堵塞，造成压缩空气的流量降低，从而进一步降低排气管的排放能力。在这两种现象共同作用下，炉室内的挥发性有机物不能及时排出，时间一长，就会从炉室两端的开口处逸出，形成“冒烟”现象。这种没有经过无害化处理的富含挥发性有机物的气体会严重污染环境、危及人员健康。为避免这种现象，生产厂商不得不频繁进行排气管的清理和保养工作，甚至每一到两周就要进行一次清理和保养。因为每次保养都会造成整条生产线的停工，频繁地停工对经济效益的影响不言而喻。
因此，晶硅太阳能电池的生产厂商对延长保养周期的呼声十分强烈。另外，这种炉室结构由于排气管都位于加热区顶部，在进行炉室内保养时需要拆掉排气管才能进行，这又加长了每次保养所需的时间。基于以上的分析，需要对炉室的排气结构及方式进行重新设计，设计的重点在于对炉室内的气流流场进行重新设计和布局，减少挥发性有机物的凝结和结晶，并使排气管更不容易堵塞。
2.3出口处的电池表面温度
根据目前的晶硅太阳能电池的生产工艺流程，当电池片完成电极的金属化过程后就要检测电池效率。为方便后道的检测，生产厂商普遍希望晶硅电池在离开烧结炉时的温度要低至50℃左右。
目前冷却器结构是以压缩空气通入冷却器内部，通过位于上方和下方的水冷壁对空气进行降温，低温空气再对传输网带和晶硅电池片进行冷却。由于水冷壁对空气的降温以及空气对晶硅电池的降温要在冷却器内部按顺序完成，加之网带有较高的运行速度，单位时间内对晶硅电池的冷却效果就比较差。如不增加冷却器长度，只能实现65℃左右的出口温度。如不更改现有结构，要想实现50℃左右的出口温度，就要降低网带运行速度或者额外增加一个冷却器。由于产量的需要，行业内的趋势是网带速度越来越快，降低网带运行速度是不现实的。另一方面，由于目前冷却器为铝制机加工件，造价比较昂贵，增加冷却器会大幅提高成本，这也是双方需要避免的。另外由于现有冷却器要使用压缩空气，使用者的使用成本也会比较高。因此，在能满足冷却效果的前提下，应考虑循环使用冷却空气，以降低能耗，增加效益。基于以上分析，需要设计一款不使用压缩空气并可循环利用冷却空气的新型冷却系统。
3设计
3.1更高的网带速度和更小的电池间距
这一要求从设计的角度来讲主要考虑两方面的问题：一是网带驱动电机的能力；二是辐射加热灯管的功率。网带驱动电机的功率还有足够的余量可以满足要求，所以无需做任何变化。辐射加热灯管的功率需要根据网带速度增加的幅度和间距减小的幅度做同比例放大即可。
3.2炉室排气系统
根据前面的分析，需要对排气结构和方式进行重新设计。首先在结构上，排气通道的位置不要放在加热区的正上方，要给加热区打开炉室盖子进行保养留出空间。剩下的进口缓冲区和出口缓冲区笔者认为出口处更适合布置排气通道，因为在出口位置挥发性有机物的浓度达到最大，排气通道布置在这里更高效。其次，排气通道的截面积要增大，以便防止堵塞。另外还要摒弃以往容易堵塞的文丘利管的结构，采用更为高效的离心式风机进行排气。基于以上的想法，笔者设计了如图3所示的干燥炉炉室及排气系统布局。
因为排气系统靠近炉室的出口，排气风机工作时是否会对位于远端的炉室进口处的气体产生足够的拉动就成了这一布局成败的关键。因为如果对远端的拉动不足，那么含有挥发性有机物的气体可能会从远端逸出，而不是从排气管排出。为了检验这一布局，笔者用Ansys软件对室温状态下，排气管内截面平均流速为2m/s的条件下炉室内流场速度进行了模拟。图4为炉室纵向中央截面的速度矢量图。由图可以看出：出口处的气流速度明显高于进口处的气流速度；进口处气流速度低；进口处第一加热区气流方向紊乱，气体存在外逸的可能。可见，目前的结构使排气的效果不理想，需要进行改进，改进的方向为增大气体从炉室进口到出口的流通面积以达到减小气体流动阻力的目的。为此，笔者在加热区之间的隔断上部设计了高为2cm的窗口并重新对改进后的设计进行了模拟，模拟结果如图5所示。由图5可见，结构改进后流场速度分布比较均匀，炉室进口和出口的速度差大为减小，进口处气体外逸的可能性小。
3.3传输网带清洁系统
对于传输网带的清洁方式，笔者也做了改进。改进前网带是以通过超声波水箱的方式进行清洁。因为清洁后网带还带有水，因此要利用炉室的加热功能进行烘干。这一清洁模式决定了在清洁网带时不能进行生产，很多太阳能电池生产厂商对此意见很大，希望在清洁网带时能够不影响生产。针对这一需要，笔者设计了简单易用且低成本的滚刷网带清洁系统。简单地说，就是将滚刷以两个轴承座固定在网带下，轴的一端以链轮和链条连接在网带驱动轮上。当网带驱动轮驱动网带运动的同时也会带动滚刷转动以达到对网带的实时清洁。相对于超声波清洗，滚刷清洁既能做到实时清洁，不影响生产，又大幅降低了设备成本，优势十分明显。
3.4冷却系统
基于前面的分析，笔者设计了钣金结构的冷却系统，其核心结构为冷却器本体，其外形结构如图6所示，两个空气入口经三通连接至离心风机出口，空气出口接至离心风机入口。冷却器本体的剖面图如图7所示。冷却系统的工作原理为：来自离心风机空气经冷却器的两个空气入口进入集气室，集气室的底部为孔板结构，带有一定压力的空气经孔板上排列的小孔垂直吹在晶硅电池片和网带上对其进行降温，换热后的空气在离心风机进口的抽吸作用下经翅片管换热器冷却后流回风机进行再循环。该冷却系统的特点是空气循环利用，既不用压缩空气，也不用消耗室内的空调气，客户的使用成本低。同时，钣金结构的本体同铝制机加工的本体相比可节约成本50%以上，制造成本优势十分明显。最重要的是，因为带压空气是垂直吹在晶硅电池片上，换热系数高，冷却效果好，实验证明其冷却斜率在其它条件相同的情况下可达90℃/s,而改进前的冷却斜率只能达到50℃/s。在空气进口处还可压力传感器对风压进行闭环控制，实现对冷却斜率的调节。
4验证及应用
在样机生产出来之后被放到上海某太阳能电池生产厂的某条生产线上进行了长期的验证。事实证明，在3600片/小时的产量下，设备在两个月时间内运行稳定，电池片的出口温度稳定在40℃。停机检查时，只在排风管顶部的风机机箱内有挥发性有机物的凝结和固态结晶，排气管和炉室内未见。保养周期从原来的两个星期延长到两个月以上。在检修时只需拆下清理风机机箱即可，十分简单方便。由于取消了排气和冷却用的压缩空气，使用成本大幅降低。目前，该型设备已经应用在英利太阳能发电技术国家重点实验室中。
5结论
该新型太阳能电池烧结炉的炉室排气系统和网带清洁系统可大幅延长设备的保养/检修周期；冷却系统可大幅降低电池出口温度，并可实现冷却斜率的可调节性；新型的滚刷式网带清洁系统相对于超声波清洁系统有着巨大的成本优势。
参考文献
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蒋诚
通用电气（上海）研究开发中心有限公司
科技创新导报
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