西门子综合解决方案助力福建钧石能源飞速发展

西门子综合解决方案助力福建钧石能源飞速发展
——西门子在非晶硅太阳能电池生产线上的运用
［摘要］：本文结合非晶硅太阳能电池整线制造工艺控制系统的特点，以福建钧石能源成套薄膜太阳能电池制造系统为例介绍了西门子S7-300和WINCC控制系统的应用情况，并对一些关键技术和引领行业发展方向的控制理论做深入探讨。
［关键词］：非晶硅太阳能电池 S7-300 WINCC
摘要：太阳能发电（光伏）与风电、核电等同为被世界公认的未来新型能源趋向，随着环保压力越来越大，太阳能作为绿色清洁能源正逐渐被市场接受，开始显现巨大的发展潜力和应用前景。目前国内太阳能行业正处于蓬勃发展期，主要分单晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的电池类型，在整个太阳能电池家族中，非晶硅薄膜太阳能电池因为其技术和应用方面的优势，正在获得爆发性增长。2007年以来年行业增速超过100%，非晶硅产品以价格低廉，污染小，制造成本低等优点受到广泛关注，对非晶硅太阳能电池的制造设备的需求也在不断增加。福建钧石能源有限公司做为国内非晶硅太阳能电池行业的领军企业，专业从事非晶硅太阳能电池及其应用产品以及生产设备的设计开发、制造和销售，在薄膜技术，真空处理及精密制造方面有着丰富的经验，可为客户量身定制具有广泛应用的整线方案及设备，产品组合包括：独有的等离子体增强化学气相沉积设备，用于光伏层的沉积；独有的磁控溅射设备，用于沉积导电电极层；自动化整线服务，经集成的成套薄膜太阳能电池制造系统。在整线制造工艺的关键流程等离子体化学气相沉积设备（PECVD）和物理气相沉积设备（PVD）的自控环节，西门子S7-300和WINCC作为成套薄膜太阳能电池控制系统的解决方案，在大批量的应用中体现出稳定，可靠和故障率低的特点，保障促进了福建钧石能源成套薄膜太阳能电池的飞速发展。
本文结合非晶硅太阳能电池整线制造工艺控制系统的特点，以福建钧石能源成套薄膜太阳能电池制造系统为例介绍了西门子S7-300和WINCC控制系统的应用情况，并对一些关键技术和引领行业发展方向的控制理论做深入探讨。
关键词：
    福建钧石能源    非晶硅太阳能电池   成套薄膜太阳能电池    PECVD     PVD   S7-300  WINCC   西门子综合解决方案
行业概述：
        太阳能发电是一种公平的、无污染的、绝佳的传统能源替代品。只是局限于科技水平的现状，特别是储能（电池）技术的现状，造成其发电成本过高（超过上网电价），加之当前应用比较广泛的上游太阳能电池板生产的主要原材料多晶硅在生产加工过程存在污染环境的问题，使得太阳能的发展受到一些阻力。光伏太阳能发电板将太阳能转换成电力，晶体硅技术是光伏工业使用的原始材料技术。传统的晶体硅太阳能发电板首先被广泛应用于太空卫星上，这种太阳能发电板是用逐步反复，批量生产的工序从单晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。虽然这种技术的开发已取得很大的进展，但是晶体光伏发电组件的成本还是因为材料的成本以及生产这种发电组件所需的烦琐工艺而持续居高不下。晶体硅太阳能发电组件体积庞大，容易破碎而且生产耗能更多。生产太阳能发电板的另一种薄膜技术使用到金属镉，这种技术损害环境而且在生产过程中及售后服务上都需极多的管理维护。
        从目前国际太阳电池的发展过程中看，其趋势大致为单晶硅、多晶硅、带状硅、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”（薄膜电池）正是业内对以单晶硅和多晶硅为主原料的太阳能电池的更新换代。一些薄膜电池中已经彻底放弃了对多晶硅的应用，从而解决了“环保技术不环保”光伏上游多晶硅生产过程中存在的污染问题。相比于传统晶体硅电池，非晶硅薄膜太阳能电池具有以下优势：
1、生产成本低：非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本相比晶体硅电池的生产成本具有无可比拟的优势；
2、能量返回期短：转换效率为8%的非晶硅太阳能电池，其生产用电发电后收回上述能量的时间仅为1-1.5年；
3、适于大批量生产：采用大面积多叠成硅基薄膜电池的规模生产，生产方式具有自动化程度高、生产效率高的特点；
4、高温性能好：当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降，非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多；
5、弱光响应好，充电效率高：非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际使用中对低光强光有较好的适应；
6、薄膜柔性特质，适用性好：传统硅晶电池存在电池主体易破碎、携带不便、抗震能力差等缺点，非晶硅薄膜太阳能电池所具有的柔性特质，决定了其比传统硅晶电池的应用更广泛。
        上述独特的技术优势，令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源等。
        当然非晶硅薄膜太阳能电池产业化过程中最大的阻力就是难以提高太阳电池的光电转换效率，相比于多晶硅太阳能电池高达22％~27％的转化率，福建钧石领先于业界的非晶硅薄膜太阳能电池工艺技术当前阶段也只能达到8%的转化率，虽然最新的工艺有望达到10%的转化率，但相比多晶硅太阳能电池来讲还是存在不小得差距。
企业介绍：


        福建钧石能源有限公司是国内非晶硅薄膜太阳能电池仅有的至今成功交付150＋MW成熟整线生产方案的供应商，公司专业从事太阳能电池及其应用产品以及生产设备的设计开发、制造和销售。公司在泉州、北京、天津设有太阳能电池研发中心、太阳能电池设备研发中心和工程中心以及太阳能电池生产基地。企业汇聚了一大批国内外知名太阳能电池技术和管理专家，并与太阳能薄膜电池领域国际权威的南开大学光电子研究所紧密合作，拥有薄膜电池领域多项技术专利，技术开发能力属于同行业领先水平，公司定位于成为世界上最大的太阳能薄膜电池生产企业之一。
        福建钧石能源有限公司的设备与技术带有多项行业领先的创新设计（如下图），使大面积多叠成硅基薄膜电池的商业规模生产成为可能。


        福建钧石提供的自动化整线生产系统，具有高效的产出率，高稳定运行及较低的设备维修费用。该系统向客户提供业界生产薄膜硅太阳能电池最佳性能和最低每瓦生产成本的设备，为客户订制的可模块化设计有助于系统的进一步升级与扩展，从而实现真正的规模化生产。

        福建钧石的整线系统获得IEC及UL的认证，已向多家国内客户提供了数百兆瓦的成套设备，并且正向亚洲的其他地区、北美及欧洲扩展，客户通过使用福建钧石的整线生产设备和认证支持服务已实现大规模生产并成功获得相关认证。
        福建钧石的整线生产方案由等离子化学气相沉积（CVD1100）和背电极磁控溅射（PVD）这两个核心设备及其他配套装备和技术所组成，这种模块化的设计具有灵活可塑性，便于系统最优化和未来的升级。
        CVD-1100型等离子化学气相沉积设备
        PECVD主要构成和技术：
?单室操作的不锈钢全加热真空室，具备整体保温结构；
?独立大容量可换型反应箱，周期产量72片，总面积57平方米；
? 双真空系统，工艺系统由无油大抽速干泵和压力控制系统组成，高真空系统由磁浮分子泵系统构成；


?控制系统以上位机组态软件为监控窗口，PLC作为控制核心，系统通过PROFIBUS和工业以太网进行连接；
?工艺软件系统由独特的工艺指令集构成，工艺编制安全完善，数据安全保存和灵活调用，可以轻松实现复杂工艺的变成和全自动操作；
?控制软件具备系统自检和校准功能，确保规模生产的设备重复性和良品率；
?完善的安全报警机制，对系统硬件工作状态、部件互锁保护、电源输入、气压、水流、水温等参数进行实时监控；
?多RF电源稳定技术，系统包含18台RF射频电源，通过工艺软件进行管理的多种控制模式和专利设计的FX72反应箱，可以使放电稳定进行，避免不同电源的干扰和串扰。
        PVD磁控溅射 主要构成和技术
?十室八靶结构，可以连续镀制AZO、Ag、Al等多种薄膜电池背电极；
?全不锈钢真空室，包含内部气体隔离和加热系统；
?采用全自动操作，可以配置接口连接其他自动设备；
?真空系统采用国际优质磁浮式分子泵和大抽速机械罗茨泵组，最快进出片节拍到小于75s，工作真空稳定，无串气波动；
?独立的溅射冷却水配置系统确保大功率溅射的稳定；
?完善的安全报警机制，对系统硬件工作状态、部件互锁保护、电源输入、气压、水流、水温等参数进行实时监控；
?进口溅射电源及供气系统；
?控制系统以上位机组态软件为监控窗口，PLC作为控制核心，系统通过PROFIBUS和工业以太网进行连接，传感器可以监控每个阴极、泵、腔室真空度、温度、工件位置、速度等参数状态，并实时显示在桌面和异常报警。
SIMATIC S7-300和WINCC在PVD上的应用：
        背电极磁控溅射（PVD）主要用来制作太阳能电池板的背电极，它对整个电池产品的质量起到非常重要的作用，因此对PVD设备的控制要求也相对较高。PVD设备要求将铝或氧化锌等背电极材料通过磁控溅射的形式镀到电池片上，并能根据生产工艺的要求对溅射电源的功率、传动速度、溅射压力以及气体流量等工艺参数进行调节。整套控制系统由以下几部分组成:真空控制单元、传动控制单元、流量控制单元、电源控制单元、测试检验单元、数据采集单元、真空测量单元、烘烤加热单元。
        控制系统选型考虑到系统对于稳定性功能性的需求和需要不断地进行工艺改进从而对控制系统技术服务的依赖性要求，基于西门子周到的行业经理定点定人的售后服务模式，综合考虑最终确定了西门子SIMATIC S7-300系列可编程控制器做为集成自动化控制系统中的控制核心。由于对设备中的泵、电源、变频器的实时监控要求较高，需要交互的参数和信息量大，并且需要根据工艺的变化迅速作出实时的调整，考虑到PROFIBUS总线通讯速率可达12M，且使用灵活(可根据GSD文件灵活选择所需功能块)，可扩展从站数量多，并被大量控制系统广泛采用和支持，所以自动化控制系统采用PROFIBUS总线的方式来搭建。

        考虑控制系统连接的PROFIBUS从站较多和对通讯速率、系统循环扫描周期以及工作内存等要求较高故选择CPU317做为控制系统控制核心。CP340通讯模块既能用于RS485通讯，又分担了控制器的一部分工作负荷，两者搭配适用提高了控制系统整体的工作效率，确保了通讯的可靠性。
        真空控制单元控制系统功能说明：包括对分子泵，机械泵，罗茨泵，干泵和若干真空阀门的监控，其中分子泵需要读取转速和状态等参数。
        传动控制单元控制系统功能说明：每个真空室和进出片架上都有传动电机，每个电机分别由一个变频器独立控制，要求控制变频器的开关、监测状态和设定频率。

        流量控制单元控制系统功能说明：要求对质量流量计的当前流量进行读取，并能够设定工艺流量。采用高精度的模拟量输入和输出模块可以实现所需功能。
        电源控制单元控制系统功能说明：要求对8台直流溅射电源的开关进行控制，采集当前的功率值、电流值、电压值，并选择控制方式和写入设定值。
        测试检验单元控制系统功能说明：镀膜工艺结束后，通过测试电池片上的电阻来检验镀膜的厚度和质量，采集到的模拟信号通过PLC运算然后再WINCC控制界面显示供工艺        操作人员实时调节工艺参数。
        数据采集单元控制系统功能说明：条码枪通过RS485通讯将电池片上的条码信息读入PLC，再由PLC将条码和电池片的相关参数传给WINCC，由WINCC建立一个TXT文本保存这些工艺参数，并将这个文本发送到指定的文件夹中供EMS（生产制造执行系统）调用。

        真空测量单元控制系统功能说明：由高真空计和低真空计以及负责工艺真空测量的薄膜规组成，采用高精度的模拟量输入模块将这些模拟量信号采集到PLC，再由PLC进行计算处理将转换好的真空度值数值实时地在WINCC上进行监控显示。
        烘烤加热单元控制系统功能说明：由热电偶、温控表、可控硅模块、碘钨灯组成的三路独立闭环PID调节控制功能，采用RS485通讯与PLC进行数据交互实现温度的PID闭环调节。

        WINCC7.0 亚洲版软件相对于WINCC6.0在各个方面都有很大的提高和改进，支持VBS、C语言和对API函数的调用给编程者实现系统功能提供了很大方便。通过安装WINCC的各种配套附件如DATABRIDGE、WEBNAVIGATE、DATAMONITOR方便地实现扩展联网和数据采集发布功能。WinCC是一个功能强大的开放的上位组态监控系统，既适用于小规模简单的数据采集监控系统使用，也可以用于复杂的过程控制系统使用。在本系统中，配合西门子SIMATIC S7-300系列可编程控制器，WinCC更好地实现了整个控制系统功能的无障碍交互。
应用结论：
        使用SIMATIC S7-300和WINCC作为自动控制系统解决方案的PVD设备经过出厂前厂家调试以及客户现场调验，满足工艺正常运行的要求，自动控制系统验收完全合格。最早出厂的设备已经过一年多的现场使用没有发生任何影响正常生产的故障及问题，已经累积完成生产电池片30万片，取得了客户的一致好评，为客户带来显著利益。同时西门子细致的行业经理跟踪服务模式也为厂家和客户解决了自动化系统使用的各种后顾之忧。