中国的光伏产业仍然处于高速发展期,并引领着全球光伏领域的发展。这来自产业里每个企业的奉献和投入。这是一个充满创业激情、创新意识、精益求精,不断颠覆自我的产业。
从国家能源局统计数据可以看到,光伏发电自2011-2021年每年新增装机量保持着持续的高涨(如图1所示)复合增长超过30%。而光伏行业协会(CIPA)预计在2022-2025年这个每年新增装机会大于75GW。
图1-中国光伏新增装机量变化(2011-2021)
光伏行业最重要的指标在于均量化度电成本(LCOE)。在过去的10年里,得益于光伏工艺、组件制造、运营等众多产业链上下游企业的努力,使得LCOE从10年前的0.35USD/kWh降低到0.05USD/kWh左右,才使得光伏发电迎来平价上网,光伏领域真正迎来依靠自主的竞争力来获得持续发展的大好形势。
在这十年里,光伏行业已经发生了巨大的变化。晶硅电池的工艺,也经历了早期的铝背场、到PERC占主导,再到HJT、TOPcon开始逐步进入量产。不断的迭代,使得早期的单晶硅发电效率从19.2%提高到今天的23.5%左右的水平并继续迭代到更高。而随着制造工艺的提升单位时间产能及良品率随之提升,单位成本也在不断的下降,最终才能使得整体光伏发电的LCOE持续下降。而钙钛矿电池也开始进入量产阶段,而它为我们开创了更为广阔的楼宇光伏领域,将使得光伏发电无所不在。
图2-光伏主要工艺及其进化
在整个光伏制造的工序段,光伏的设备也在不断的进化。例如前道单晶炉、开方、切片的晶片制造阶段。在过去的十年里,单晶炉生产出更大直径的晶棒、切出更大的晶片(从162/182到220)。而切片环节,由于持续的产业研发,更细金刚线及新的钨丝材质用于切片,使得整个单位产能不断达到新高,为整个光伏制造成本下降做出巨大的贡献。
在电池制造工艺环节。扩散工艺、薄膜沉积(PECVD/PVD/RPD/LPCVD等)、退火、离子注入、丝网印刷、激光转印、烧结等设备为电池的效率提高及稳定可靠的良品率贡献力量。
图3-光伏工艺及设备
在后道组件采用了新的半片、多主栅、叠瓦工艺,包括大量的串焊、激光串焊等设备也在不断的提高光伏的转换效率。
在整个光伏的制造中,各个流程的设备制造商不断的努力贡献着其产业力量,使得整个产业呈现欣欣向荣,不断的技术创新,颠覆着自己,不断的迭代,在每个细微处为产业的每个1%的效率提升做出卓越贡献,光伏领域有着一批勇于创新、自我否定、精益求精的精神,驱使行业整体的进步,使得中国的光伏领域领先全球市场。
贝加莱光伏设备解决方案-共性关键技术
贝加莱早在2009年即进入光伏设备,技术应用遍布单晶炉、切片、清洗制绒、扩散、PECVD等核心工艺设备,为产业提供在机器的电气控制与传动技术、智能技术、数字化支撑,伴随着行业的快速发展,成为光伏装备领域的历史见证着和受益者。
基于Automation Studio平台、贝加莱的X20系列控制、ACOPOSmulti伺服驱动系统、Panel PC、机器视觉被应用到各个领域。
好用的温度控制
对于单晶炉、扩散、PECVD/LPCVD等设备而言,温度控制影响品质的产品的性能及稳定的良品产出,基于自适应控制算法的温度控制,可以实现参数自整定以适应各种场景、前馈控制、卡尔曼滤波,并能够确保高的温度曲线跟随、温度均匀性、多温区的耦合控制。这些都是光伏行业所必需的,图4为贝加莱温度控制算法框架。
图4-mappTemperature功能框架
张力控制技术
在金刚线切割中,随着线径越来越细,其对高精度的放卷及张力控制提出了巨大的挑战,贝加莱的张力控制库确保高速动态的张力稳定控制。如图5所示。
图5-稳定的张力控制技术
贝加莱的张力库,提供在加减速阶段稳定的张力控制,并能够自适应整个卷径的变化保持稳定的张力。
运动控制技术
ACOPOSmulti伺服驱动系统在光伏的切片中为张力控制提供了稳定的支撑,而其主动电源模式可以获得更低能源消耗-例如在切片中,能够较之其他系统节省超过20%的能源消耗。并且,在掉电时亦能确保系统同步停车,如图6所示为其掉电停车功能原理-通过大惯量传动轴在制动时的发电机状态,将能源回馈直流母线,并经由逆变再输出给控制电路、其他轴,用于实现同步停车,以降低停机造成的在制品损耗。
图6-ACOPOSmulti掉电停车功能
ACOPOS系列伺服驱动系统,还为定位控制提供高速响应能力,随着效率不断提升的需求,ACOPOS逐渐释放其能力。
数据处理能力
在数字化支持能力方面,贝加莱的控制系统支持OPC UA规约,能够为机器提供与MES/ERP系统、云系统的连接能力。并且,除了这些,mapp的众多功能也为机器提供了数字化的实现能力。
mappVIEW-提供更为友好的HMI操作,基于Web技术的画风,显得直观大气,易于理解;
mappRecipe-通过拖拽形成配方管理界面,并可以将配方通过csv/XML形式导出;
mappUser-用户管理,多级用户口令,确保机器可以被不同的人操作,访问不同的数据;
mappReport-它为用户提供了基于PDF/CSV/txt格式的数据报表,以便于数据分析之用途。
mappAudit-它解决数据的可追溯性问题,即,谁在什么时候对机器的何种参数,进行了什么样的修改,这个都会以不可篡改形式予以保存,并供查询,在质量出现问题的时候,可以进行溯源,如图7。
图7-mappAudit功能提供审计追踪功能
mappAlamX-对于光伏机器来说,如通信、程序、I/O出错、传感器、气体泄漏等必须提供报警能力。
mapp完全集成于Automation Studio平台,并能够被快速的配置应用,快速构建机器的软件,缩短调试周期,这是将贝加莱在各个领域的共性技术进行了封装,基于严格的“高内聚、低耦合”软件工程思想,提供强大功能同时,达到快速模块化配置。
贝加莱光伏领域应用场景
单晶炉控制技术
早在10余年前,依赖于X20CPU良好的Know-How保密功能,贝加莱进入单晶炉行业,今天随着各种工艺对单晶硅片的尺寸、材料配方的差异,支持高级语言编程的算法设计能力,持续保持着竞争力。
随着行业的工艺越来越复杂,每个细节的控制都会影响晶棒生长的速度、品质,因此,更为动态的反馈及控制策略调整是必要的。基于建模仿真的闭环控制使得贝加莱发挥出优势。单晶炉结构如图8所示。
图8-单晶炉结构
基于贝加莱的APC的Hypervisor架构可以支持基于Windows的仿真软件运行,以及RTOS的实时控制任务。在Windows架构上实现互联管理、OEE计算、能源监测、数据管理,而实时控制则包括温度、压力及等径控制算法的设计运行。贝加莱软件功能如图9。
图9-控制系统功能设计
更细的切割线,更高精度
在多线切割中,机械系统通过放卷张力控制、经过多个辊(双或三主辊)的排线、棒料的进给、收卷,并且通过金刚线的往复实现切割,以提高金刚线的利用率。整个金刚线切片系统要达到非常高精度、稳定的张力控制,机器才能确保切割的稳定,高效,达到高品质的生产其结构如图10,放卷轴、牵引、排线、进给、收卷等多轴系统实现高速同步的切割控制。
图10-多线切割机结构
为了降低成本,大尺寸、薄片是未来的发展方向,对于金刚线的切割而言,更细的金刚线才能切出更多的片,并降低表面粗糙度,进而更好的成片质量,而对于线速度而言,则意味着更大产能带来的成本下降,但这都对控制系统包括恒张力控制、高精度排线、高精度进给等提出了更高的要求。
图11-多线切割系统典型配置
图11是贝加莱为多线切割系统提供的解决方案,ACOPOSmulti提供了共直流母线驱动技术,通过POWERLINK实时以太网提供百微秒级的高精度同步。
与产业的领先企业合作,共同开发金刚线切割,在这个环节,相对砂浆时代,切割线更细使得单根晶棒带来4-5倍的切割产出提升。并将切割时间从10小时以上缩短到1.5小时乃至更低,同时使得整体单位时间产能扩大20余倍。另外,ACOPOS系统更低的生产能耗,这些综合技术应用,整体带来了光伏晶片成本的大幅下降。
PECVD控制
在各种工艺中,PECVD成为关键设备,反应气体进入腔体,并经由射频电场激发,气体分解为等离子体,并相互产生化学反应,有些成分会沉积到晶硅表面逐渐形成固态薄膜,副产出物则经由泵作用下排出。
图12-贝加莱PECVD解决方案
贝加莱X20控制器提供了独立的桨与舟的送料、控制其气体流量、压力,以及电源、温度加热系统的控制,炉体控制为独立的,也可以为多个共用CPU的模式,图12提供了更为独立的单元控制设计,X20控制器采用了独特的纳米特层处理,能够适用于具有气体污染的工作氛围。
对于管式PECVD,石英管内包裹着环形加热管道,石英管外壁安装热电偶温度传感器用于检测外管加热温度,内管同样也有热电偶温度传感器。对于这样的温度传递模型,可以预见的是加热管加热后,热量是需要非常长的时间才能传递到内管硅片反应室内的,仅通过简单的PID运算是无法准确控制硅片反应室的温度。此时合适的基于真实物理模型的控制就尤为重要,贝加莱基于管式PECVD这类型的大滞后温度传递物理对象,仿真及搭建出准确的被控对象模型,基于模型的滤波及温度预测,融合自适应温度控制算法,使得温度精度、升温速度都有卓越的改善。
石英管内通常有多个温区,多个温区根据各自温区的内外管温度控制各自加热管功率。实际情况是多个温区之间是相互干扰及耦合的,此时多路温区的耦合同步控制将更加关键。mpTemp提供的多温区同步整定,同步加热,解耦控制实现更高的控制精度。
数据记录、趋势、配方管理等都需要系统具有良好的数字化呈现、传输和分析能力-而贝加莱为此同样提供了支撑,其软硬件架构基于开放的设计,支持OPC UA/MQTT的传输,以及Windows下的数据库、数据趋势实时呈现功能。
文章来源: 贝加莱工业自动化
图片来源: 贝加莱工业自动化
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责任编辑:朱晓裔
审 核 人:李峥
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作者:何发
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