太阳能薄膜电池涂布生产线的张力控制研究

【摘要】：光伏薄膜电池是新能源领域太阳光伏行业中的重要分支及发展方向,铜铟镓硒(Copper Indium Gallium Selenide,CIGS)油墨的发明使得CIGS太阳薄膜电池的制造实现了印刷涂布的高效生产工艺。通过卷对卷工艺流程,在CIGS薄膜电池涂布过程中,将含有特定配比的纳米级CIGS油墨通过狭缝涂布的方式喷涂在金属箔等柔性材料上,最后卷取成型,达到快速制备太阳电池的目的,生产过程中的张力与涂布工艺直接决定了成品薄膜电池的性能。CIGS薄膜电池涂布过程中,对基材的张力控制贯穿整个生产环节。由于张力波动会影响薄膜电池的涂布厚度,其控制精度是薄膜电池成品合格率的重要影响因素,张力过大会导致电池基材变薄甚至崩断,张力过小又使材料变厚甚至松散,影响生产效率和产品质量。为了提高产品质量和生产效率,研究可靠的张力控制系统是制造太阳能薄膜电池涂布系统的前提条件。目前,国内尚未普及应用卷对卷涂布生产CIGS薄膜电池技术,传统的CIGS薄膜电池生产技术与先进的印刷涂布技术相比,存在生产效率低、成本高的缺点。本文在分析太阳能薄膜电池涂布生产工艺流程基础上,研究不停机换卷的连续工艺与控制技术,为实现连续生产过程的张力精确控制,给出一种新型复合张力控制策略。系统通过张力-速度模型计算改变给定速度,同时采集实时张力与设定值比较,将差值作用到速度环中进行校正,从而间接控制基材的牵引张力,实现了涂布工艺流程对张力的精确控制。为实现不停机换卷,收放卷部分采用回转轴及用于切割基材的裁刀,采用精密的位置角及转速传感器,使驱动轴架及转刀的电机实现高精度位置闭环控制;收放卷电机跟随主牵引电机的速度,保证张力恒定的速度控制模式。最后,设计实用的太阳能薄膜电池涂布不停机张力控制系统,当满足生产线速度为120m/min、薄膜电池幅宽为1m的生产过程时,稳态张力波动低于±1%,最大动态张力波动小于±5%。新系统动态性能与稳态精度均满足生产工艺要求。 【关键词】：太阳能薄膜电池 制造工艺 涂布生产线 不停机放卷 复合张力控制
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 课题研究背景和意义7-8
• 1.2 CIGS薄膜太阳电池及其生产工艺发展与现状8-10
• 1.2.1 CIGS薄膜电池与制造技术8-9
• 1.2.2 国内外CIGS薄膜电池发展与现状9-10
• 1.3 生产过程薄膜表面张力的影响与解决方案10-11
• 1.4 本文的主要研究任务与工作内容11-12
• 1.4.1 主要研究任务11-12
• 1.4.2 主要工作内容12
• 1.5 本文的创新点12-13
• 第二章 薄膜电池的生产流程与涂布工艺实现13-21
• 2.1 太阳能薄膜电池生产流程13
• 2.2 不停机连续换卷的解决方案13-15
• 2.3 系统张力分段控制方案15-16
• 2.4 基于涂布工艺的生产线组成16-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 张力控制系统的数学模型与控制策略21-41
• 3.1 影响涂布系统张力的几个主要因素21
• 3.2 放卷-涂布段张力模型与实现21-28
• 3.2.1 放卷-涂布段张力控制数学模型21-25
• 3.2.2 放卷-涂布段张力控制策略与实现25-28
• 3.3 涂布-收卷段张力模型与实现28-33
• 3.3.1 涂布-收卷段张力控制数学模型29-32
• 3.3.2 涂布-收卷段张力控制策略与实现32-33
• 3.4 张力控制系统模型仿真33-40
• 3.4.1 交流PMSM伺服系统模型33-34
• 3.4.2 放卷-涂布系统模型仿真34-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 涂布生产线电气系统设计41-57
• 4.1 电气控制系统主要器件选型42-48
• 4.1.1 控制器选型42-44
• 4.1.2 电机选型44-45
• 4.1.3 传感器选型45-46
• 4.1.4 A/D与D/A转换器选型46-47
• 4.1.5 触摸屏选型47-48
• 4.2 涂布生产线电气控制系统组成48-49
• 4.3 涂布生产线电气控制系统设计49-53
• 4.3.1 PLC供电线路设计50
• 4.3.2 伺服驱动系统电路设计50-53
• 4.4 PLC外围I/O接线设计53-56
• 4.4.1 输入输出地址分配53-55
• 4.4.2 PLC接线图55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 涂布生产线控制软件设计与系统调试57-68
• 5.1 编辑软件介绍57
• 5.2 控制系统设计57-66
• 5.2.1 PLC张力控制分析58-61
• 5.2.2 PLC与伺服系统的通信61-63
• 5.2.3 触摸屏设计63-66
• 5.3 生产线运行结果分析66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-69
• 6.1 研究总结68
• 6.2 展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-73
• 附录73-75
• 附录1 作者在攻读硕士学位期间完成的成果73-74
• 附录2 太阳能薄膜电池涂布生产线系统实物74-75
• 附录3 生产线运行放卷-涂布段张力实验数据75

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