創贏——西門子工業成功案例

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西門子綜合解決方案助力福建鈞石能源飛速發展

本文結合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統的特點,以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統為例介紹了西門子S7-300和WinCC控制系統的應用情況,并對一些關鍵技術和引領行業發展方向的控制理論做深入探討。

 本文結合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統的特點,以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統為例介紹了西門子S7-300和WinCC控制系統的應用情況,并對一些關鍵技術和引領行業發展方向的控制理論做深入探討。


摘要:
 

太陽能發電(光伏)與風電、核電等同為被世界公認的未來新型能源趨向,隨著環保壓力越來越大,太陽能作為綠色清潔能源正逐漸被市場接受,開始顯現巨大的發展潛力和應用前景。目前國內太陽能行業正處于蓬勃發展期,主要分單晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的電池類型,在整個太陽能電池家族中,非晶硅薄膜太陽能電池因為其技術和應用方面的優勢,正在獲得爆發性增長。2007年以來年行業增速超過100%,非晶硅產品以價格低廉,污染小,制造成本低等優點受到廣泛關注,對非晶硅太陽能電池的制造設備的需求也在不斷增加。福建鈞石能源有限公司做為國內非晶硅太陽能電池行業的領軍企業,專業從事非晶硅太陽能電池及其應用產品以及生產設備的設計開發、制造和銷售,在薄膜技術,真空處理及精密制造方面有著豐富的經驗,可為客戶量身定制具有廣泛應用的整線方案及設備,產品組合包括:獨有的等離子體增強化學氣相沉積設備,用于光伏層的沉積;獨有的磁控濺射設備,用于沉積導電電極層;自動化整線服務,經集成的成套薄膜太陽能電池制造系統。在整線制造工藝的關鍵流程等離子體化學氣相沉積設備(PECVD)和物理氣相沉積設備(PVD)的自控環節,西門子S7-300和WinCC作為成套薄膜太陽能電池控制系統的解決方案,在大批量的應用中體現出穩定,可靠和故障率低的特點,保障促進了福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池的飛速發展。

本文結合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統的特點,以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統為例介紹了西門子S7-300和WinCC控制系統的應用情況,并對一些關鍵技術和引領行業發展方向的控制理論做深入探討。



行業概述:
 

太陽能發電是一種公平的、無污染的、絕佳的傳統能源替代品。只是局限于科技水平的現狀,特別是儲能(電池)技術的現狀,造成其發電成本過高(超過上網電價),加之當前應用比較廣泛的上游太陽能電池板生產的主要原材料多晶硅在生產加工過程存在污染環境的問題,使得太陽能的發展受到一些阻力。光伏太陽能發電板將太陽能轉換成電力,晶體硅技術是光伏工業使用的原始材料技術。傳統的晶體硅太陽能發電板首先被廣泛應用于太空衛星上,這種太陽能發電板是用逐步反復,批量生產的工序從單晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。雖然這種技術的開發已取得很大的進展,但是晶體光伏發電組件的成本還是因為材料的成本以及生產這種發電組件所需的煩瑣工藝而持續居高不下。晶體硅太陽能發電組件體積龐大,容易破碎而且生產耗能更多。生產太陽能發電板的另一種薄膜技術使用到金屬鎘,這種技術損害環境而且在生產過程中及售后服務上都需極多的管理維護。

從目前國際太陽電池的發展過程中看,其趨勢大致為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。而最后的“薄膜材料”(薄膜電池)正是業內對以單晶硅和多晶硅為主原料的太陽能電池的更新換代。一些薄膜電池中已經徹底放棄了對多晶硅的應用,從而解決了“環保技術不環保”光伏上游多晶硅生產過程中存在的污染問題。相比于傳統晶體硅電池,非晶硅薄膜太陽能電池具有以下優勢:

1、生產成本低:非晶硅薄膜太陽能電池的生產成本相比晶體硅電池的生產成本具有無可比擬的優勢;

2、能量返回期短:轉換效率為8%的非晶硅太陽能電池,其生產用電發電后收回上述能量的時間僅為1-1.5年;

3、適于大批量生產:采用大面積多疊成硅基薄膜電池的規模生產,生產方式具有自動化程度高、生產效率高的特點;

4、高溫性能好:當太陽能電池工作溫度高于標準測試溫度25℃時,其最佳輸出功率會有所下降,非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多;

5、弱光響應好,充電效率高:非晶硅材料的吸收系數在整個可見光范圍內,在實際使用中對低光強光有較好的適應;

6、薄膜柔性特質,適用性好:傳統硅晶電池存在電池主體易破碎、攜帶不便、抗震能力差等缺點,非晶硅薄膜太陽能電池所具有的柔性特質,決定了其比傳統硅晶電池的應用更廣泛。

上述獨特的技術優勢,令薄膜硅電池在民用領域具有廣闊的應用前景,如光伏建筑一體化、大規模低成本發電站、太陽能照明光源等。

當然非晶硅薄膜太陽能電池產業化過程中最大的阻力就是難以提高太陽電池的光電轉換效率,相比于多晶硅太陽能電池高達22%~27%的轉化率,福建鈞石領先于業界的非晶硅薄膜太陽能電池工藝技術當前階段也只能達到8%的轉化率,雖然最新的工藝有望達到10%的轉化率,但相比多晶硅太陽能電池來講還是存在不小得差距。



關于鈞石能源:
 

福建鈞石能源有限公司是國內非晶硅薄膜太陽能電池僅有的至今成功交付150+MW成熟整線生產方案的供應商,公司專業從事太陽能電池及其應用產品以及生產設備的設計開發、制造和銷售。公司在泉州、北京、天津設有太陽能電池研發中心、太陽能電池設備研發中心和工程中心以及太陽能電池生產基地。企業匯聚了一大批國內外知名太陽能電池技術和管理專家,并與太陽能薄膜電池領域國際權威的南開大學光電子研究所緊密合作,擁有薄膜電池領域多項技術專利,技術開發能力屬于同行業領先水平,公司定位于成為世界上最大的太陽能薄膜電池生產企業之一。

福建鈞石能源有限公司的設備與技術帶有多項行業領先的創新設計,使大面積多疊成硅基薄膜電池的商業規模生產成為可能。

福建鈞石提供的自動化整線生產系統,具有高效的產出率,高穩定運行及較低的設備維修費用。該系統向客戶提供業界生產薄膜硅太陽能電池最佳性能和最低每瓦生產成本的設備,為客戶訂制的可模塊化設計有助于系統的進一步升級與擴展,從而實現真正的規模化生產。

福建鈞石的整線系統獲得IEC及UL的認證,已向多家國內客戶提供了數百兆瓦的成套設備,并且正向亞洲的其他地區、北美及歐洲擴展,客戶通過使用福建鈞石的整線生產設備和認證支持服務已實現大規模生產并成功獲得相關認證。

福建鈞石的整線生產方案由等離子化學氣相沉積(CVD1100)和背電極磁控濺射(PVD)這兩個核心設備及其他配套裝備和技術所組成,這種模塊化的設計具有靈活可塑性,便于系統最優化和未來的升級。



CVD-1100型等離子化學氣相沉積設備
 

PECVD主要構成和技術:

·單室操作的不銹鋼全加熱真空室,具備整體保溫結構;

·獨立大容量可換型反應箱,周期產量72片,總面積57平方米;

·雙真空系統,工藝系統由無油大抽速干泵和壓力控制系統組成,高真空系統由磁浮分子泵系統構成;

·控制系統以上位機組態軟件為監控窗口,PLC作為控制核心,系統通過PROFIBUS和工業以太網進行連接;

·工藝軟件系統由獨特的工藝指令集構成,工藝編制安全完善,數據安全保存和靈活調用,可以輕松實現復雜工藝的變成和全自動操作;

·控制軟件具備系統自檢和校準功能,確保規模生產的設備重復性和良品率;

·完善的安全報警機制,對系統硬件工作狀態、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數進行實時監控;

·多RF電源穩定技術,系統包含18臺RF射頻電源,通過工藝軟件進行管理的多種控制模式和專利設計的FX72反應箱,可以使放電穩定進行,避免不同電源的干擾和串擾。



PVD磁控濺射 主要構成和技術
 

·十室八靶結構,可以連續鍍制AZO、Ag、Al等多種薄膜電池背電極;

·全不銹鋼真空室,包含內部氣體隔離和加熱系統;

·采用全自動操作,可以配置接口連接其他自動設備;

·真空系統采用國際優質磁浮式分子泵和大抽速機械羅茨泵組,最快進出片節拍到小于75s,工作真空穩定,無串氣波動;

·獨立的濺射冷卻水配置系統確保大功率濺射的穩定;

·完善的安全報警機制,對系統硬件工作狀態、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數進行實時監控;

·進口濺射電源及供氣系統;

·控制系統以上位機組態軟件為監控窗口,PLC作為控制核心,系統通過PROFIBUS和工業以太網進行連接,傳感器可以監控每個陰極、泵、腔室真空度、溫度、工件位置、速度等參數狀態,并實時顯示在桌面和異常報警。



SIMATIC S7-300和WinCC在PVD上的應用:
 

背電極磁控濺射(PVD)主要用來制作太陽能電池板的背電極,它對整個電池產品的質量起到非常重要的作用,因此對PVD設備的控制要求也相對較高。PVD設備要求將鋁或氧化鋅等背電極材料通過磁控濺射的形式鍍到電池片上,并能根據生產工藝的要求對濺射電源的功率、傳動速度、濺射壓力以及氣體流量等工藝參數進行調節。整套控制系統由以下幾部分組成:真空控制單元、傳動控制單元、流量控制單元、電源控制單元、測試檢驗單元、數據采集單元、真空測量單元、烘烤加熱單元。

控制系統選型考慮到系統對于穩定性功能性的需求和需要不斷地進行工藝改進從而對控制系統技術服務的依賴性要求,基于西門子周到的行業經理定點定人的售后服務模式,綜合考慮最終確定了西門子SIMATIC S7-300系列可編程控制器做為集成自動化控制系統中的控制核心。由于對設備中的泵、電源、變頻器的實時監控要求較高,需要交互的參數和信息量大,并且需要根據工藝的變化迅速作出實時的調整,考慮到PROFIBUS總線通訊速率可達12M,且使用靈活(可根據GSD文件靈活選擇所需功能塊),可擴展從站數量多,并被大量控制系統廣泛采用和支持,所以自動化控制系統采用PROFIBUS總線的方式來搭建。

考慮控制系統連接的PROFIBUS從站較多和對通訊速率、系統循環掃描周期以及工作內存等要求較高故選擇CPU317做為控制系統控制核心。CP340通訊模塊既能用于RS485通訊,又分擔了控制器的一部分工作負荷,兩者搭配適用提高了控制系統整體的工作效率,確保了通訊的可靠性。 

真空控制單元控制系統功能說明:包括對分子泵,機械泵,羅茨泵,干泵和若干真空閥門的監控,其中分子泵需要讀取轉速和狀態等參數。

傳動控制單元控制系統功能說明:每個真空室和進出片架上都有傳動電機,每個電機分別由一個變頻器獨立控制,要求控制變頻器的開關、監測狀態和設定頻率。

流量控制單元控制系統功能說明:要求對質量流量計的當前流量進行讀取,并能夠設定工藝流量。采用高精度的模擬量輸入和輸出模塊可以實現所需功能。

電源控制單元控制系統功能說明:要求對8臺直流濺射電源的開關進行控制,采集當前的功率值、電流值、電壓值,并選擇控制方式和寫入設定值。

測試檢驗單元控制系統功能說明:鍍膜工藝結束后,通過測試電池片上的電阻來檢驗鍍膜的厚度和質量,采集到的模擬信號通過PLC運算然后再WinCC控制界面顯示供工藝操作人員實時調節工藝參數。

數據采集單元控制系統功能說明:條碼槍通過RS485通訊將電池片上的條碼信息讀入PLC,再由PLC將條碼和電池片的相關參數傳給WinCC,由WinCC建立一個TXT文本保存這些工藝參數,并將這個文本發送到指定的文件夾中供EMS(生產制造執行系統)調用。

真空測量單元控制系統功能說明:由高真空計和低真空計以及負責工藝真空測量的薄膜規組成,采用高精度的模擬量輸入模塊將這些模擬量信號采集到PLC,再由PLC進行計算處理將轉換好的真空度值數值實時地在WinCC上進行監控顯示。

烘烤加熱單元控制系統功能說明:由熱電偶、溫控表、可控硅模塊、碘鎢燈組成的三路獨立閉環PID調節控制功能,采用RS485通訊與PLC進行數據交互實現溫度的PID閉環調節。

WinCC7.0 亞洲版軟件相對于WinCC6.0在各個方面都有很大的提高和改進,支持VBS、C語言和對API函數的調用給編程者實現系統功能提供了很大方便。通過安裝WinCC的各種配套附件如DATABRIDGE、WEBNAVIGATE、DATAMONITOR方便地實現擴展聯網和數據采集發布功能。WinCC是一個功能強大的開放的上位組態監控系統,既適用于小規模簡單的數據采集監控系統使用,也可以用于復雜的過程控制系統使用。在本系統中,配合西門子SIMATIC S7-300系列可編程控制器,WinCC更好地實現了整個控制系統功能的無障礙交互。



應用結論:
 

使用SIMATIC S7-300和WinCC作為自動控制系統解決方案的PVD設備經過出廠前廠家調試以及客戶現場調驗,滿足工藝正常運行的要求,自動控制系統驗收完全合格。最早出廠的設備已經過一年多的現場使用沒有發生任何影響正常生產的故障及問題,已經累積完成生產電池片30萬片,取得了客戶的一致好評,為客戶帶來顯著利益。同時西門子細致的行業經理跟蹤服務模式也為廠家和客戶解決了自動化系統使用的各種后顧之憂。



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