Hebei Normal University of Science & Technology
本科毕业设计
（自然科学）
题 目： 基于solidworks 的太阳能组件层压机的设计 院（系、部）： 机电工程学院 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 职 称
2011年 05 月 08 日
河北科技师范学院教务处制
本科毕业设计
基于solidworks 的太阳能组件层压机的设计
院（系、部）名 称 ：
专 业 名 称：
学 生 姓 名：学 生 学 号： 指 导 教 师：
2011年 05 月 08 日
河北科技师范学院教务处制
学 术 声 明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名： （需手写） 日期： （需手写）
指导教师签名： （需手写） 日期： （需手写）
摘 要
太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，进入2l 世纪以来，世界太阳能光伏发电产业快速发展，我国光伏产业在国家大型工程项目、推广计划和国际合作项目的推动下，以前所未有的速度迅速发展。为了满足我国太阳电池组件生产企业对设备的要求，在各种电气及机械设备法规的规定下，结合当今太阳电池组件层压机的发展状况，考虑到经济实用问题，对半自动太阳电池组件层压机进行设计，在设备未投产前力求更加真实的模拟机器的工作情况，减少生产成本和时间。在确定太阳电池组件层压机总体结构和功能要求的基础上，利用逆向设计思路、SolidWorks 三维造型对层压机进行模型设计，对各种零件进行模拟装配及运动分析，检查机械各构件运动是否发生干涉；再运用SolidWorks 内自带的COSMOSWorks 模块进行有限元分析，对传动机构进行力学计算。通过模仿真实环境下的工作发现并改正设计上的问题，最终完成太阳电池组件层压机的设计与制造。
关键词：SolidWorks ；太阳电池组件层压机；有限元分析
Abstract
Solar energy is the most abundant renewable resources of energy, has unique advantages and great potential for the development and utilization into the 2l century, the world's solar photovoltaic industry, the rapid development of photovoltaic industry in the state of
large-scale projects, promotional programs and international cooperation Under the impetus of the project, the rapid development of an unprecedented rate. In order to meet our solar module production business requirements of the equipment, electrical and mechanical equipment in a variety of regulations, the combination of today's solar module laminating machine development, taking into account economic and practical problems, the solar group of semi-automatic laminating machine parts design, the device is not put into a more realistic simulation of the former sought to work the machine, reducing production costs and time. In determining the overall structure of solar module laminator and functional requirements, based on the idea of using reverse design, SolidWorks three-dimensional modeling of the lamination machine model design, simulation of various parts assembly and motion analysis, check the mechanical movement of each component whether the interference; then use the built-in SolidWorks COSMOSWorks finite element analysis module, the mechanics of the calculation of transmission mechanism. Environment by imitating the work of the real find
and correct design problems, and ultimately complete solar module laminating machine design and manufacturing.
Keywords: SolidWorks ；finite element analysis；Solar module laminator
目 录
摘 要 . ................................................... 错误！未定义书签。 Abstract . ................................................ 错误！未定义书签。
1 绪论 . ................................................................... 1
1.1 论文研究背景与意义 . ............................................................................................... 1
1.2 *** . ............................................................................................................................. 2
1.2.1 ** . ................................................................................. 错误！未定义书签。
1.2.2 **** . ............................................................................. 错误！未定义书签。
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2 **** . ................................................................... 2 …………… . .............................................. 错误！未定义书签。 …………… . .............................................. 错误！未定义书签。 结论 . .................................................... 错误！未定义书签。 致谢 . .................................................... 错误！未定义书签。 附录 . .................................................... 错误！未定义书签。
1 绪论
1.1 论文研究背景与意义
由于传统能源(煤、石油、天然气等) 的日渐短缺，传统能源的不可再生性和对环境日益加重的负面影响，以及各个国家的能源安全考虑，使得太阳能发电的光伏产业(PV)在上世纪末本世纪初受到世界各国的重视。日本、欧洲和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术上处于领先地位，所生产的太阳能电池组件封装设备自动化程度高，控制方式灵活，产品系列较为完善，但产品价格昂贵，而国内的太阳能电池封装设备水平低, 不能达到组件生产设计能力。
随着国内太阳能电池市场方面政策因素不断向好（《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年) 》已将“高性价比太阳能光伏电池及利用技术”列为优先主题），太阳能电池产业将是我国能源可持续发展的重要方向。据国内太阳能电池组件生产设备行业统计，我国新上标准太阳能电池生产线仅有约三分之一的市场被国产设备占领，太阳能电池组件生产设备已成为我国光伏产业发展的瓶颈。目前，制约我国太阳电池产量的主要原因，一是没有足够的太阳级硅片，二是大部分太阳电池厂封装机技术水平低，不能达到组件生产设计能力。而进口一台层压机需要15万美元以上，企业难以承担。因此，层压机的国产化是发展太阳电池产业的一项重大课题。
太阳能电池组件是光伏发电系统中的关键部分，其中包括硅系太阳电池和非硅系太阳能电池等，硅系太阳电池有晶硅系太阳电池和非晶硅系太阳电池。在非晶硅太阳能电池的产业链上分布着非晶硅薄膜制备、电池制造、组件封装、组件测试四个环节，每个环节都迫切需要开发出相应的加工设备。我国现有的封装设备国内已经开始生产，但性能和配套性同国外有很大的差距。目前层压机的制造多为中小企业，缺乏研发实力，产品的制造多停留在仿制阶段上，没有掌握产品的核心技术。
根据市场需求预测，到2010年，全世界PV 市场年安装量将在3.2GW ～3.9GW ，而光伏工业年收入将达到186亿～231亿美元，最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。在国际市场的强力带动下，我国太阳能电池产业也增长迅猛，太阳电池市场处于飞速发展中。目前，多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜太阳能电池已应用于太阳能电池组件，迫切需要开发出相应的加工设备，提高现有设备的技术装备水平和产能。目前太阳能电池层压设备向着专业化、自动化、智能化的方向发展。我国的常规能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%，随着经济实力的不断壮大，对能源的需求逐渐增大，常规能源将不足以满足我国对能源的需求。发展太阳能光伏产业将是改善我国能源结构、缓解能源需求的重要措施。
目前，我国太阳能电池组件产业展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进行或计划进行多晶硅薄膜电池项目的投资，迫切需要研制出太阳能组件相关的制造设备。
1.2 SolidWorks软件简介
SolidWorks 为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet 整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，目前达索的CAD 产品市场占有率居世界前列。 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid 内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks 成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks 软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等。
其中的CosmosWorks 软件是一套强大的有限元分析软件，采用FFE （Fast finite Element）技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短。COSMOS/Works是完全整合在Sol-
DWORKS 中设计分析系统的，提供压力、频率、约束、热量，和优化分析。为设计工程师在SolidWorks 的环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE),工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。
2太阳电池组件层压机整体结构设计
2.1太阳能层压组件层压机的机构
半自动太阳电池组件层压机由架体、起升铰架、上箱、加热板、起升气缸、钣金六个部分组成。如下图1（钣金部分已略去）所示：
图1太阳能组件层压机三维模拟图
1上箱 2加热板 3架体
4气缸 5起升绞架
2.2太阳电池组件层压机的系统组成
太阳电池组件层压机在工作过程中主要提供两个生产环境：真空环境和高温环境。分别由真空泵和加热炉提供实现，系统结构如图2：
2.2.1加热系统
层压机加热方式一般采用油加热和电加热两种方式，这里我们采用导热油加热，加热温度≤200℃。加热管在使用过程中分为两组，开启加热时，两组加热管同时工作，当设备温度达到使用温度以后，设备自动关闭其中一组加热管，仅用其中的一组即可维
图2 层压机系统结构图
持设备温度。加热系统包括加热板、加热器、铂电阻温度传感器、热油泵、膨胀油箱和加热功率控制器, 其结构如图3所示。
2.2.2真空系统 图3 加热系统图
太阳能电池组件一般由五层工质叠层而成。放入层压机内层压时，需将工质与工质之间的空气抽走，否则EV A 在融化时，会将空气封存在组件内，造成产品质量不符合要求。真空系统的设计正是满足这一要求。真空泵分为油封和水封两种，在这里，我们选用效率更好的油封真空泵。
2.2.3起升系统
考虑该机型的实际要求和经济型，这里我们采用气动方式作为该机型的起升方式。起升系统主要有起升绞架、工作气缸、气源控制元件和气源处理元件几部分组成
层压机在工作状态时, 各开关阀门的工作状态如下:抽真空程序使, 上下室真空阀门全部打开, 所有电磁阀都关闭, 在进行到加压程序时, 上室真空阀关闭, 同时上室充气阀门打开, 外界的大气通过管道进入到上室; 层压程序时, 上室充气阀门关闭, 其他阀门保持不变, 开盖程序时, 上室真空阀门打开, 下室真空阀门关闭, 同时下室充气阀门打开, 外界的大气进入到下室, 下室充气完毕后, 层压机上盖打开。
2.2.4控制系统
2.3太阳电池组件层压机的工作过程
2.3.1预热过程
层压机开始工作前，启动加热炉，对导热油进行加热。加热的同时利用加热炉自带的循环泵将导热油带入加热板，导热油在加热板内循环流动后，再流回加热炉内加热，这个过程中，导热油将热量传给加热板。如此循环过程，直到加热板达到预先设定温度，加热泵停止加热（加热温度由层压过程中使用的EV A 决定）。
2.3.2放料过程
将叠层好的电池片放入层压机内，一般的电池片叠层为五层，从上往下依次为玻璃片、EV A 、焊接好的电池片、EV A 、背板TPT(玻璃片) 。
2.3.3层压过程
合上盖后进行下室抽气。层叠好的太阳电池板放置在两层玻璃布之间(属于下真空室部分) ，EV A(乙烯一醋酸乙烯共聚物胶膜) 在层压机内开始受热，达到熔融状态。EV A 与电池板、玻璃、TPT(太阳能背板专用复合膜) 之间如有空气存在，下室抽气(抽真空) 可以将这些间隙中的空气排除。抽气之后对上真空室充气进行加压。在加压过程中，下室继续抽真空，上室充气，胶皮气囊构成的上真空室，充气后体积膨胀(由于下室抽真空) 充斥整个上、下室之间，挤压放置在下室的电池片、EV A 等，熔融后的EV A 在挤压和下室抽空的作用下，流动充满玻璃、电池片、TPT 之间的间隙，同时排出中间的气泡。
2.3.4取料过程
层压过程结束后，电池片还需在层压机内保持十分钟左右，以使EV A 固化。在层压过程中，下室处于真空状态，在大气压力作用下，上盖受向下的压力。所以开盖前，须向下室充气。然后利用设置在上箱的两个起升绞架将上箱起升，取出电池片，再进行下一块电池组件的封装。
3太阳电池组件层压机的运动分析
通过solidworks 软件对设计模型进行仿真和分析能够模拟真实环境中传动装置的工作状况，并对其进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，以减少后期修改而付出的宝贵代价，缩短设计周期。
4起升绞架的有限元分析
起升绞架是太阳组件层压机起升系统的主要工作元件。在工作过程中要承受来自箱的交变载荷，其力学性能和机械性能直接影响太阳电池组件层压机的工作可靠性。起升绞架的主要失效形式为变形和折断，为简化模型，提高分析效率，对起升绞架进行受力分析时，采用以下分析方法进行分析。
4.1建立三维模型
打开solidworks 软件，新建一零件图。在架构设计中，根据与其配合的零件的结构尺寸，绘制起升绞架的三维模型图，如图2：
图2 起升绞架模型图
4.2定义约束和载荷
约束和载荷都是在solidworks 里用来仿真实物的重要依据，“约束”是针对实际的情 况，对结构的点、线、面的自由度做一约束。对起升铰架模型的四个铰接点施加铰链约束（铰链约束可以指定圆柱面只能绕自己的轴旋转）
。载荷需通过计算获得，其计算过
程如下：
在SolidWorks 软件中对上箱各个零部件原料进行设定，全部为普通碳素结构钢，在“工具”菜单栏中，选择查看质量特性选项，会自动生成上箱的总质量和重心等数据。由软件可知上箱总重m=985.4kg 则上箱G=mg=9656.92N 近似为9657N
起升绞架在合盖到位位置受力最大，所以取其合盖到位位置进行受力分析针对上箱建立力学模型如图3：
图3 上箱受力图 根据空间任意力系的平衡方程：
2F ’y2x2=Gx1
得F ’y2=338N
2 F’y2+ 2 F’y1=G. 得F ’y1=4490.5N
再针对起升绞架建立力学模型如下图4：
图4 起升绞架受力图
y2和y ’2、y1 和y ’1为作用力和反作用力关系
在合盖位置Fx1=Fx2=Fy4=0
以03点所在轴建立空间任意力系平衡方程：
∑M Z =0 Fx4y4= Fy1x1+ Fy2x2
得Fx4=5149.7N ∑X =0 Fx3= - Fx4 得Fx3= -5149.7N ∑Y =0 F y 3+F Y 2+F y 1=0
得F y 3=-4152.5N
F X 1=0N , F y 1=-4490. 5N ，F X 2=0，F y 2=338N ,
F x 3=-5149. 7，F Y 3=-4152. 5，F X 4=5149. 5N , F Y 4=0N
按以上计算所得，对起升绞架添加载荷，绞架所受约束和载荷如图5所示：
4.3定义材料特性
定义材料特征要尽量符合实际材料的性能，使其分析结果能够近似于真实状况。在solidworks 中选择材料来源为库文件solidworks material中的普通碳钢。其材料特征定义为：质量密度：7800kg/m3；抗剪模量：7.9e+010N/m2；泊松比：0．28；张力强度：399826000N/ m2;屈服强度：220594000 N/m2；热扩张系数：1.3e-005/Kelvin;热导率：43W （m.K ）；比热：440J （kg.K ）；
图5 起升绞架约束、载荷受力图
4.4划分网格
为获得良好的网格质量和足够的分析精度，同时又满足普通设计快速划分网格的应用要求，选用4节点四面体单元进行网格划分，如图7所示。
4.5结果分析
为起升铰架定义了约束和载荷后再进行力学分析。静态分析将根据模型中指定的约束和载荷，计算模型中的变形、应力和应变。静态分析会告诉设计者模型是否可以承受得住指定的载荷条件，零件所能承受的临界点在何处，以及变形的位移量是多少。分析云如下图示：
图7 网格示意图
由上图可知，起升绞架所受最大应力72Mpa ，查阅机械设计手册可知绞架最大应力小于须用应力220 Mpa要求，最大变形量小于1mm ，符合设计要求，且满足强度储备。
图9 模型位移变化云图