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太阳电池红外协风焊接热场温度稳定性研究

2024-12-08 67 上传者：管理员

摘要：采用数值模拟结合正交试验的方法分析太阳电池焊接传热过程，研究不同工艺参数对温度稳定性的影响作用。通过正交试验设计方法规划试验方案，利用CFD传热仿真模拟焊接传热过程获取试验数据，分析仿真数据得到最优工艺参数组合。结果表明：中心灯管功率为55 W、预热温度为150℃、灯管高度为25 mm、焊接时间为2.2 s、边缘灯管功率为70 W、空气流速为0.6 m/s时焊接热场温度稳定性最高，此时模拟温度与最佳温度的差值为3.5℃。

关键词：
太阳电池
数值模拟
正交试验
焊接温度
红外线加热
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硅基太阳电池趋向于大而薄的方向发展，受太阳电池材料性质所限，降低物料成本的同时也造成了焊接不良率的升高，因此对焊接工艺水平提出了较高的要求。

热场温度稳定性是焊接工艺中的一个重要指标，孙国辉等[1]通过模拟焊接过程证明焊接热场温差大时焊接应力大；刘翰林等[2]利用两变量方法分析层间热失配效应和边界效应减小了太阳电池内部正应力；Timoshenko[3]从理论上研究了层状材料在热载荷作用下的变形和应力，推导出热载荷作用下非均质材料的变形理论；Hsiao等[4]提出一种平衡接触的方法来降低晶体硅太阳电池与焊带互连过程中产生的热应力；赖启铭等[5]证明热风焊接过程中气流温度是影响太阳电池应力一个重要参数，气流温度越低时太阳电池内部残余应力越小；Gabor等[6]证明由于太阳电池和焊带的热膨胀系数不同，太阳电池受热过程中易出现开裂或现有裂纹扩展现象。现有研究多侧重于温度对太阳电池残余应力的影响，但焊接热场控制相关的研究偏少，实际生产中串焊机焊接热场受多种因素制约，控制难度大、调整速度慢、温度稳定性过低将导致太阳电池出现虚焊、过焊和开裂的现象，因此精准地控制焊接热场具有较高的工程应用价值。

本研究以实际焊接温度与最佳焊接温度的绝对差值为优化目标，通过数值模拟结合正交试验的方法探求最优工艺参数组合，以达到提升温度稳定性的目的。

1、红外协风焊接物理模型

焊接工艺分为预热、焊接、保温3个过程，预热是通过太阳电池背面的加热底板将太阳电池加热到固定温度；焊接是通过红外灯管和热风的协同作用融化焊锡；保温是焊接完成后通过加热底板的加热功能使太阳电池逐步冷却。本文主要研究焊接过程中温度场的升温过程，原材料采用厚度为150µm的M10太阳电池、直径为292µm的无氧铜焊带和厚度为30µm的锡铅合金涂层，通过安装在太阳电池上方的红外灯管提供热量，在红外加热与热风加热协同作用下将焊锡融化，焊接原理简图如图1所示。

图1红外协风焊接原理简图

2、焊接传热机理分析

太阳电池焊接是一个多种传热方式耦合的传热过程，耦合作用下太阳电池表面的热流密度可用式（1）表示[7]。

式中：q——热流密度，W/m2；λ——太阳电池热导率，W/（m·K);Ts——加热底板温度，K;Tt——太阳电池温度，K;δ——厚度，m;ε——实际表面发射率，其数值处于0～1之间；σ——斯提芬波尔赫兹常数，5.67×10-8W/（m2·K4);Ti——红外灯管温度，K;h——对流换热系数，W/（m2·K);Tf——热流温度，K。

红外灯管以热辐射的形式传递热量，单位时间、单位面积、单位立体角内物体向固定方向发出的能量为：

式中：E——辐射功率，W/m22；Φ——红外灯管功率，W;θ——纬度角，rad;β——经度角，rad;A——面积，m；ω——球面度，sr。

当红外灯管辐射功率固定时，太阳电池不同面积不同角度接收到的热量不相同，单位时间内太阳电池对应红外灯管单位面积内接收到的能量为：

式中：Φi,c——红外灯管和太阳电池之间的辐射换热量，J/s;Ei——红外灯管的辐射功率，W/m2;Ec——太阳电池的辐射功率，W/m2;Ai——红外灯管的辐射微面积，m2;Ac——太阳电池与红外灯管固定辐射角度对应的接收微面积，m2;r——红外灯管和太阳电池之间的距离，m;α1——红外灯管法线与距离的夹角，（°）；α2——太阳电池法线与距离的夹角，（°）。

热风加热以及空气流动带走的热量属于对流换热，将雷诺准则和普朗特准则带入常壁温平板局部表面传热系数计算公式可得对流换热系数如式（4）所示[8]。

式中：λa——空气热导率，W/（m·K);v——流动速度，m/s;x——长度，m；υ——空气的运动黏度，m2/s；μ——空气的动力黏度，Pa·s;cp——比热容，J/（kg·K）。

分析式（1）～式（4）可知灯管功率、灯管高度、空气流速、预热温度、焊接时间是影响加热效果的5个重要因素。

3、焊接工艺参数优化

利用正交试验设计方法规划试验方案，采用CFD仿真模拟太阳电池焊接过程获取试验数据，分析仿真结果寻求最优工艺参数组合。

3.1仿真模型建立

利用CFD仿真模拟传热过程，流动模型选用层流模型，辐射模型选用DO模型[9]，假设红外灯管功率无衰减。焊接装置左右对称，仅模拟左侧加热过程，本文只研究焊接热场，为加快仿真速度忽略焊带，按等比例建立CAD模型并进行网格化处理如图2所示。焊接装置为实体域，空气为流体域，流体域上部壁面为速度入口，下部与环境接触的部分为压力出口，模型最右侧壁面均为对称面。

实体部分灯罩、分流板、压网和机架的材料为结构钢，太阳电池、红外灯管、传送带、加热底板的材料分别为单晶硅、石英、特氟龙、铜，流体域材料为空气，材料参数如表1所示[10-11]。在实体部分设置灯管功率和加热底板的加热温度，在速度入口壁面定义流体速度，与环境接触的实体域壁面自然对流系数[12]为10 W/m2，仿真时间步长为0.1 s，仿真总时长即焊接时间。

图2焊接装置三维数模和网格模型

表1仿真材料参数

仿真结束后参照图3分别测量每个焊点处的温度记作Ti,j（其中i为列数，j为行数），℃，温度越接近最佳焊接温度220℃焊接效果越好[13-14]，故按式（5）～式（6）计算实际焊接温度与最佳焊接温度的绝对差值代表焊接热场稳定性指标。

图3数据采集点位置分布

式中：——平均温度，℃；TD——温度绝对差值，℃。

3.2试验因素及水平

串焊机工作过程中灯管功率通常为约60 W[15]，考虑到太阳电池边缘位置散热较快，将灯管分成内部灯管和边缘灯管，内部5根灯光功率区间取55～65 W，边缘单根灯管功率区间取65～75 W；相关研究[16]证明红外加热的最佳距离为5～35 mm，为避免灯管与压网干涉，灯管与太阳电池距离区间取15～35 mm；预热温度[14]为约150℃，考虑到温度小范围波动对加热效果影响较小，将预热温度区间设定为140～160℃；焊接时间与焊接温度呈正比例关系，但焊接时间越长产能越低，为同时兼顾两个因素焊接时间范围取1.8～2.2 s；风扇出口处最高风速为1.8 m/s，当空气流速较低时太阳电池表面温度均匀性较差，故取空气流速范围为0.6～1.8 m/s，综上可得试验因素及水平如表2所示。

表2因素水平编码

3.3正交试验设计

根据试验因素及水平选取L18(37）正交表规划试验方案，为对实验结果进行方差分析，需保证自由度大于零，故将最后一列设置为不参与计算的空列。按照正交表中的参数组合依次开展仿真试验，将试验采集数据分别填入优化目标响应列，试验设计方案及测试结果如表3所示，然后对表3进行方差分析和极差分析。

表3正交试验设计方案及结果

3.4仿真结果分析

方差分析和极差分析结果如表4所示，其中P为显著性指标，因素的P值越小其显著水平越高，对试验指标的影响程度越高，各因素对焊接温度的影响程度由高到低依次排序为：中心灯管功率>预热温度>灯管高度>焊接时间>边缘灯管功率>空气流速。中心灯管功率、预热温度、灯管高度均已达到显著水平，实际生产过程中应着重控制；焊接时间和边缘灯管功率接近显著水平，可作为精准控制温度的工艺参数；空气流速对优化目标的影响程度较小。本研究中温度稳定性指标越小越接近最佳温度，即同一因素下均值k最小的水平为该因素的最佳水平，参照表4对试验结果进行极差分析可知最优工艺参数组合为：中心灯管功率为55 W、预热温度为150℃、灯管高度为25 mm、焊接时间为2.2 s、边缘灯管功率为70 W、空气流速为0.6 m/s。

表4方差与极差结果数值

为验证优化结果的可靠性，以最优参数组合建立仿真模型，按上述步骤重复进行仿真试验，计算得平均温度均为223.5℃，接近最佳焊接温度220℃。此时太阳电池表面温度场如图4所示，经测量可知太阳电池上各焊点位置的温度处于213～229℃之间，温度分布范围满足中国电子行业标准SJ/T 11216—1999《红外/热风再流焊接技术要求》中规定的Sn60Pb40焊接温度要求。

图4太阳电池表面热场分布

4、焊接试验

为验证仿真试验数据的准确度进行焊接试验，试验地点为英利能源发展（蠡县）有限公司焊接车间，串焊机型号为奥特维AM050EH多主栅光伏串焊机，焊带剥离力测试设备为TH-8210S伺服电脑式太阳电池卧式拉力试验机。

串焊机焊接装置、风扇调速器、红外温度传感器如图5所示，试验前按仿真试验结果设置工艺参数，在触控屏上设置灯管功率、预热温度和焊接时间，利用焊接装置上的气缸调整红外灯管高度，通过风扇调速器控制排风扇转速从而调整太阳电池上方空气流速，利用安装在焊接装置上方的红外温度传感器检测焊接温度。当串焊机运行稳定后随机抽取一串太阳电池测试平均焊带剥离力，利用EL测试设备统计同一批次太阳电池的焊接合格率。

图5焊接试验设备

经测量得焊接温度为228.3℃，平均焊带剥离力为2.4 N，焊接合格率为99.1%，均满足本公司焊接工艺工序标准。试验焊接温度与仿真温度相似度可达97.9%，表明仿真数据具有较高的可信度，正交试验的优化结果具有较高的实用价值。

5、结论

1）从理论层面分析了焊接传热机理，确定了灯管功率、灯管高度、空气流速、预热温度、焊接时间是影响焊接温度稳定性的5个主要因素，为仿真试验提供了理论依据。

2）建立用于获取试验数据的焊接传热仿真模型，利用正交试验设计方法规划了试验方案。分析试验结果得各参数对焊接温度影响程度由大到小依次排序，以及最优工艺参数组合为：中心灯管功率55 W，预热温度150℃，灯管高度25mm，焊接时间2.2 s，边缘灯管功率70 W，空气流速0.6 m/s，此组合下焊接温度模拟值为223.5℃，降低了试验成本的同时提高了试验效率。

3）按照最优工艺参数组合开展焊接试验，此时焊接温度为228.3℃，平均焊带剥离力为2.4 N，焊接合格率为99.1%，证明了仿真试验数据具有较高的可信度，研究结果可为串焊机工艺参数的调整提供参考依据。

参考文献:

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[2]刘翰林,张乘胤,张能辉.光伏组件单元的热应力和内力分析[J].太阳能学报,2020, 41(8):215-220.

[7]马登成,曹雨轩,桂学.红外热风协同加热实验台结构设计与仿真验证[J].哈尔滨工业大学学报,2023, 55(3):49-57.

[8]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M]. 5版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[9]柳晓宁,任杰,朱熙,等.石英灯阵高温试验环境换热特性仿真分析[J].航天器环境工程,2022, 39(1):26-32.

[10]周涛,贾地,高晟耀,等.舰艇高温管路热振耦合试验系统研制[J].计算机测量与控制,2021, 29(5):136-140.

[11]李建勋.全自动串焊机之工艺分析与结构优化设计[D].南京:东南大学,2017.

[16]卢为开,李铁津,张泽清.远红外辐射加热技术[M].上海:上海科学技术出版社,1983.

基金资助:国家重点研发计划(2022YFB4200105);战略性技术专项(23314301L);

文章来源:麻超,刘超,张向前,等.太阳电池红外协风焊接热场温度稳定性研究[J].太阳能学报,2024,45(11):178-182..