精确与集成 太阳能生产的控制需求

摘要：在过去3年里，光伏产业作为电力行业的领头羊，发展势头一直呈上升趋势。也正是光伏产业这种迅猛的发展势头，诱使了自动化企业争相加入开发太阳能电池生产控制解决方案的行列中。
光伏发电在国际市场中一直处于增长趋势。2008年全球太阳能发电厂装机容量已经超过4500 MW（兆瓦，MWp），是两年前的3倍。去年，仅德国太阳能发电厂的装机容量就达1500MW——而这个容量相当于2006年全球联网的光伏发电总量。
       太阳是永不落的象征，但是对于依附于太阳的光伏产业却没有永不落的神话。欧洲虽然一直是光伏产业的领导者，但其它国家大有后来者居上的意味。目前，光伏市场中，德国市场规模居世界第一，西班牙紧随其后，美国屈居第三。
       今年全球光伏发电的投资都将有迅猛的增长。未来光伏产业发展的重点将是欧洲南部和美国。美国太阳能产业协会SEIA预计在经济刺激计划的大力推动下，今年太阳能产业将有强劲的增长。而且，经济刺激计划已为太阳能产业的发展预留了70亿美元的资金。不久前，中国还刚刚宣布要在中国西北地区建立世界最大的太阳能发电厂。在阿布达比（Abu Dhabi），半岛的第一光伏电站正在兴建，它的建成将确保全球首座零碳城市——Masdar市的电力供应。
       技术方面，新兴的薄膜电池（使用特殊工艺在玻璃上形成多晶硅薄膜）技术使得太阳能电池板的生产效率得到了大幅的提高。估计到2012年，薄膜电池的市场占有率将从现在的12％增长到23％。虽然，晶圆技术在制造过程中会耗费大量的原材料，但是，迄今为止，晶圆技术仍然是太阳能电池制造技术的主导。

让太阳能电池板组装更容易
      2008年美国的光伏发电量突破了300兆瓦（MW）。但是，在2007年时，仅有160MW，而2006年还不到100MW。随着光伏发电在公共事业和商业储电中的普及，光伏产业正迎来更快的发展步伐。根据美国太阳能电力协会Taylor对公共事业的统计，预计在未来5年里将有2500MW电力来自光伏发电。随着光伏发电向公共事业以及像沃尔玛这类大型商业用电的普及，越来越多的企业争相恐后的加入到太阳能电池的制造行列中。
      太阳能电池板表面看起来很简单，但是，实际制造过程却相当复杂，只有对多层原材料的尺寸、切割、层压、密封等多道工艺都做到严格精确，才能保证太阳能电池板的优良性能。多层材料中的任意一层在加工中沾染了污垢、灰尘或者受到污染，都将有可能影响整个太阳能电池板的性能。太阳能电池板组装加工过程的严格、精确，是最终产品拥有较强环境适应力的根本保证。

复杂制造
      太阳能电池板的制作过程，主要包括：精确测量、切割、输送、定位、层压、绝缘、贴膜等众多复杂工艺，而且为了防止污染对于像硅酮这类脆弱、昂贵的特殊层，需要额外添加保护膜等防护手段。如果硅层脱落、凸起、或受到严重碰撞，则都可能造成电池板组件的裂缝或者破碎。最后，为了增加电池板组件的强度，延长电池的使用寿命，则需要对电池板组件进行装框、固定。通过整套复杂的工艺，才能制造出将太阳能转换为可供使用电能的密封电池板。
      位于芝加哥的一家专业制造企业，生产制造从建筑机械到太阳能电池板的各类设备。在最近的一次设备改造中，DMC公司将西门子的太阳能自动化解决方案成功应用于该公司的太阳能电池板生产中。该改造方案选用了西门子317T可编程控制器（PLC）。317T PLC采用了西门子集成运动控制CPU 317T-2 DP技术，此技术在现有标准中央处理器（CPU）的基础上，增加了强大的运动控制功能。而且，317T PLC还专门配有一个高速闭环控制的协处理器。这不仅保证了317T PLC在执行普通任务时的优异性能，也保证了处理运动控制任务时更快的响应速度。

像制作三明治
    “制作电池板就像制作三明治。不同的是，需要用玻璃面板替代面包做表层；用EVA和绝缘材料替代肉和乳酪做夹心层，最后，将做好的“三明治”太阳能电池板，放入层压机中密封就可以了，”DMC公司（一家位于芝加哥的自动化工程和软件服务企业）技术总监Ken Brey解释说。
     “芝加哥的这家电池板制造企业，在电池板组件的机械切割和组件输送两道工序中选用的是一家企业的设备，而在电池板组件的层压工序中选用了另外一家企业的设备。整个电池板制造过程中使用着并非同一厂家生产的设备。随着科技的发展，同一条生产线中，同时使用多家厂商生产的设备已经成为一个越来越普遍的现象。西门子标准化的通信模式，确保了不同厂商的设备间快速、无障碍的通信，从而保障企业利益的最大化。”
      像太阳能电池板组装这样典型的运动控制系统，一般需要控制2至8个轴。西门子317T PLC最多能控制16个轴。而且，317T PLC除了可实现精确的单轴定位外，还特别适合于复杂的、同步运动序列，如虚拟/实际主设备的耦合、减速器同步、电子凸轮盘、印刷点修正等。
      印刷点套准（registration）在太阳能电池板层压工艺中尤为重要，是光伏电池薄膜层校准的关键。使用西门子STEP 7软件，只需要一个程序就可以保证印刷点套准，大大方便和简化了配置和程序编制。
       使用西门子317T PLC的太阳能电池板组装机，CPU就可以实现对系统运动控制的全面管理。例如，通过4伺服轴就可实现层的精确定位，不需要外加运动控制器，就可以保证设备的高速运转。而且，通过317T PLC内置的减速器同步和参考点探测，就可实现精确的层套准。

从芯片厂到太阳能电站的成功转变
      德国不仅仅在光伏发电装机容量上是世界的领跑者，而且在太阳能制造业中也处于世界的领先地位：全球30％的太阳能电池组件是由德国制造的。德国的太阳能总部设立在Saxony-Anhalt，即所谓的太阳谷中。而在老工业区Bitterfeld-Wolfen，还有几千人也在从事着太阳能产业。整个德国共有超过4.2万人正在从事着与太阳能有关的工作。在德国，太阳能研究和开发市场竞争都异常激烈：仅2008年投资额就超过2亿欧元，并有超过50家的科研院所参与了太阳能的开发和利用。在节能减排、石油资源日益枯竭、环保先行等巨大社会压力下，太阳能产业发展日益蓬勃。太阳能产业发展的相关数据都是由德国“Bundesverband der Solarwirtschaft”（太阳能产业联盟）和瑞士Sarasin资产管理银行统计分析得到的。并且，他们估计太阳能产业在2012年将呈现两位数的增长态势。
      随着人们对光伏发电认可度的不断提升，以及对光伏发电量需求的不断增加，使得多晶硅需求量呈现迅猛增长的势头。伴随产业规模的壮大，太阳能电池生产控制系统的要求也发生着不断的变化。日前，太阳能企业对系统集成和设备整合的呼声越来越高。

一揽子设施
       德国Conergy 公司是在欧洲居于领先地位的太阳能企业，也是太阳能系统集成领域内的全球领先供应商。在法兰克福，该公司将以前的一个芯片生产厂转变为世界上最先进的太阳能电站。该电站于 2007 年夏天开始运行，并将于 2009 年达到其最大发电能力250 兆瓦。
       Conergy位于法兰克福的新太阳能电站成为太阳能行业的一个标杆，它将从晶片到光伏组件的所有生产步骤集成到一个完全连续的设计中。Conergy太阳能电站包括一个完全集成的晶片、电池和电池组件生产装置。Conergy 投资了大约2.5亿欧元。这一采用最新技术的生产设施可非常高效地批量生产光伏系统，帮助 Conergy 保持竞争优势。
      通过将生产和研发活动紧密集成在一起而取得协同作用，Conergy 正在追求着雄心勃勃的创新目标，例如，将单晶硅太阳能组件的效率提高到 17 % 以上。 Conergy将内部生产设计与生产单元安排在一起以缩短输送距离。设施采用高自动化等级有助于降低输送过程中敏感性电池的破损。 所使用的设备要进一步实现操作效率和硅消耗量方面的改进。 目前，生产中使用了厚度为 200 微米的电池，但Conergy的目标是将电池厚度降低到160微米或更低。

紧迫的时间安排
      用于新装置的设备必须在富于挑战性背景下交付和安装。首先，从技术角度看，用于将各种系统集成到设施内的解决方案相当复杂。其次，该项目必须在非常紧迫的时间内完成：从发出订单到完工仅 7 个月时间。其中还包括通过较为复杂的接口来集成多个设备。但实际表明，这一任务对于 M+W Zander、西门子和 Conergy 的技术项目团队来说只是一个很小的挑战。
      M+W Zander 委托西门子公司交付用于整个过程基础设施的自动化技术。该套系统还包括过程冷却装置、空调系统、真空系统、热水加热和分配系统和化学品供应系统。