中國光伏產(chǎn)業(yè)仍然處于高速發(fā)展期，并引領(lǐng)著全球光伏領(lǐng)域的發(fā)展。這來自產(chǎn)業(yè)里每個企業(yè)的奉獻和投入。這是一個充滿創(chuàng)業(yè)激情、創(chuàng)新意識、精益求精，不斷顛覆自我的產(chǎn)業(yè)。

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司

　　從國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，光伏發(fā)電自2011-2021年每年新增裝機量保持著持續(xù)的高漲復(fù)合增長超過30%，而光伏行業(yè)協(xié)會(CIPA)預(yù)計在2022-2025年這個每年新增裝機會大于75GW。

　　光伏行業(yè)最重要的指標在于均量化度電成本(LCOE)。在過去的10年里，得益于光伏工藝、組件制造、運營等眾多產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的努力，使得LCOE從10年前的0.35USD/kWh降低到0.05USD/kWh左右，才使得光伏發(fā)電迎來平價上網(wǎng)，光伏領(lǐng)域真正迎來依靠自主的競爭力來獲得持續(xù)發(fā)展的大好形勢。

　　這十年里，光伏行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。晶硅電池的工藝，也經(jīng)歷了早期的鋁背場、到PERC占主導(dǎo)，再到HJT、TOPcon開始逐步進入量產(chǎn)。不斷的迭代，使得早期的單晶硅發(fā)電效率從19.2%提高到今天的23.5%左右的水平并繼續(xù)迭代到更高。而隨著制造工藝的提升單位時間產(chǎn)能及良品率隨之提升，單位成本也在不斷的下降，最終才能使得整體光伏發(fā)電的LCOE持續(xù)下降。而鈣鈦礦電池也開始進入量產(chǎn)階段，而它為我們開創(chuàng)了更為廣闊的樓宇光伏領(lǐng)域，將使得光伏發(fā)電無所不在。

　　在整個光伏制造的工序段，光伏的設(shè)備也在不斷的進化。例如前道單晶爐、開方、切片的晶片制造階段。在過去的十年里，單晶爐生產(chǎn)出更大直徑的晶棒、切出更大的晶片(從162/182到220)。而切片環(huán)節(jié)，由于持續(xù)的產(chǎn)業(yè)研發(fā)，更細金剛線及新的鎢絲材質(zhì)用于切片，使得整個單位產(chǎn)能不斷達到新高，為整個光伏制造成本下降做出巨大的貢獻。

　　在電池制造工藝環(huán)節(jié)，擴散工藝、薄膜沉積(PECVD/PVD/RPD/LPCVD等)、退火、離子注入、絲網(wǎng)印刷、激光轉(zhuǎn)印、燒結(jié)等設(shè)備，為電池的效率提高及穩(wěn)定可靠的良品率貢獻力量。而后道組件采用了新的半片、多主柵、疊瓦工藝，包括大量的串焊、激光串焊等設(shè)備也在不斷的提高光伏的轉(zhuǎn)換效率。

　　在整個光伏的制造中，各個流程的設(shè)備制造商努力貢獻著其產(chǎn)業(yè)力量，使得整個產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的景象，不斷地技術(shù)創(chuàng)新，顛覆著自己，不斷迭代，在每個細微處為產(chǎn)業(yè)的每個1%的效率提升做出卓越貢獻，光伏領(lǐng)域有著一批勇于創(chuàng)新、自我否定、精益求精的企業(yè)，驅(qū)使行業(yè)整體進步，使得中國光伏能夠領(lǐng)先全球市場。

圖1 光伏工藝及設(shè)備

　　1 貝加萊光伏設(shè)備解決方案——共性關(guān)鍵技術(shù)

　　貝加萊早在2009年即進入光伏設(shè)備領(lǐng)域，技術(shù)應(yīng)用遍布單晶爐、切片、清洗制絨、擴散、PECVD等核心工藝設(shè)備，為產(chǎn)業(yè)提供機器部分的電氣控制與傳動技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字化支撐，伴隨著行業(yè)的快速發(fā)展，成為光伏裝備領(lǐng)域的歷史見證者和受益者。

　　基于Automation Studio平臺，貝加萊的X20系列控制、ACOPOSmulti伺服驅(qū)動系統(tǒng)、Panel PC、機器視覺被應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

　　(1)好用的溫度控制

　　自適應(yīng)控制算法的溫度控制，可以實現(xiàn)參數(shù)自整定，以適應(yīng)各種場景、前饋控制、卡爾曼濾波，并能夠確保高的溫度曲線跟隨、溫度均勻性、多溫區(qū)的耦合控制。這些都是光伏行業(yè)所必需的，圖2為貝加萊溫度控制算法框架。

圖2 mappTemperature功能框架

　　(2)張力控制技術(shù)

　　在金剛線切割中，隨著線徑越來越細，其對高精度的放卷及張力控制提出了巨大的挑戰(zhàn)，貝加萊的張力控制庫能夠確保高速動態(tài)的張力穩(wěn)定控制，如圖3所示。

　　貝加萊的張力庫提供在加減速階段穩(wěn)定的張力控制，并能夠自適應(yīng)整個卷徑的變化，保持穩(wěn)定的張力控制性能。

圖3 穩(wěn)定的張力控制技術(shù)

　　(3)運動控制技術(shù)

　　ACOPOSmulti伺服驅(qū)動系統(tǒng)在光伏的切片中為張力控制提供了穩(wěn)定的支撐，而其主動電源模式可以獲得更低能源消耗。例如在切片中，能夠較之其他系統(tǒng)節(jié)省超過20%的能源消耗，并且，在掉電時亦能確保系統(tǒng)同步停車，如圖4所示為其掉電停車功能原理——通過大慣量傳動軸在制動時的發(fā)電機狀態(tài)，將能源回饋直流母線，并經(jīng)由逆變再輸出給控制電路、其他軸，用于實現(xiàn)同步停車，以降低停機造成的在制品損耗。

　　ACOPOS系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)，還能為定位控制提供高速響應(yīng)能力，隨著效率不斷提升的需求，ACOPOS逐漸釋放其能力。

圖4 ACOPOSmulti掉電停車功能

　　(4)數(shù)據(jù)處理能力

　　在數(shù)字化支持能力方面，貝加萊的控制系統(tǒng)支持OPC UA規(guī)約，能夠為機器提供與MES/ERP系統(tǒng)、云系統(tǒng)的連接能力，并且，除了這些，mapp的眾多功能也為機器提供了數(shù)字化的實現(xiàn)能力。

　　l mappVIEW——提供更為友好的HMI操作，基于Web技術(shù)的畫風，顯得直觀大氣，易于理解;

　　l mappRecipe——通過拖拽形成配方管理界面，并可以將配方通過csv/XML形式導(dǎo)出;

　　l mappUser——用戶管理，多級用戶口令，確保機器可以被不同的人操作，訪問不同的數(shù)據(jù);

　　l mappReport——為用戶提供了基于PDF/CSV/txt格式的數(shù)據(jù)報表，以便于數(shù)據(jù)分析之用途;

　　l mappAudit——解決數(shù)據(jù)的可追溯性問題，即，誰在什么時候?qū)C器的何種參數(shù)，進行了什么樣的修改，這些都會以不可篡改的形式予以保存，并供查詢，在質(zhì)量出現(xiàn)問題的時候，可以進行溯源，如圖5。

圖5 mappAudit功能提供審計追蹤功能

　　mappAlamX對于光伏機器來說，如通信、程序、I/O出錯、傳感器、氣體泄漏等，均可提供必須的報警能力。

　　mapp完全集成于Automation Studio平臺，并能夠被快速地配置應(yīng)用，快速構(gòu)建機器的軟件，縮短調(diào)試周期，這是將貝加萊在各個領(lǐng)域的共性技術(shù)進行了封裝，基于嚴格的“高內(nèi)聚、低耦合”軟件工程思想，在提供強大功能的同時，達到快速模塊化配置的效果。

　　2 貝加萊光伏領(lǐng)域應(yīng)用場景

　　(1)單晶爐控制技術(shù)

　　早在10余年前，依賴于X20CPU良好的Know-How保密功能，貝加萊進入單晶爐行業(yè)，今天隨著各種工藝對單晶硅片的尺寸、材料配方的差異，可支持高級語言編程的算法設(shè)計能力，持續(xù)保持競爭力。

　　隨著光伏行業(yè)的工藝越來越復(fù)雜，每個細節(jié)的控制都會影響晶棒生長的速度、品質(zhì)，因此，更為動態(tài)的反饋及控制策略調(diào)整是必要的?；诮７抡娴拈]環(huán)控制，使得貝加萊的技術(shù)方案發(fā)揮出更大的優(yōu)勢，以單晶爐控制技術(shù)為例，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 單晶爐結(jié)構(gòu)

　　基于貝加萊的APC的Hypervisor架構(gòu)可以支持基于Windows的仿真軟件運行，以及RTOS的實時控制任務(wù)。在Windows架構(gòu)上實現(xiàn)互聯(lián)管理、OEE計算、能源監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理，而實時控制則包括溫度、壓力及等徑控制算法的設(shè)計運行，貝加萊軟件功能如圖7。

圖7 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

　　(2)更細的切割線，更高精度

　　在多線切割中，機械系統(tǒng)通過放卷張力控制、經(jīng)過多個輥(雙或三主輥)的排線、棒料的進給、收卷，并且通過金剛線的往復(fù)實現(xiàn)切割，以提高金剛線的利用率。整個金剛線切片系統(tǒng)要達到非常高的精度、穩(wěn)定的張力控制，機器才能確保切割的穩(wěn)定、高效，達到高品質(zhì)的生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖8，放卷軸、牽引、排線、進給、收卷等多軸系統(tǒng)實現(xiàn)高速同步的切割控制功能。

圖8 多線切割機結(jié)構(gòu)

　　為了降低成本，大尺寸、薄片是未來的發(fā)展方向，對于金剛線的切割而言，更細的金剛線才能切出更多的片，并降低表面粗糙度，進而達到更好的成片質(zhì)量;而對于線速度而言，則意味著更大的產(chǎn)所能帶來的成本下降，但這都對控制系統(tǒng)包括恒張力控制、高精度排線、高精度進給等提出了更高的要求。

　　圖9是貝加萊為多線切割系統(tǒng)提供的解決方案，ACOPOSmulti提供了共直流母線驅(qū)動技術(shù)，通過POWERLINK實時以太網(wǎng)提供百微秒級的高精度同步。

圖9 多線切割系統(tǒng)典型配置

　　貝加萊與產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)合作，共同開發(fā)金剛線切割，在這個環(huán)節(jié)，相對砂漿時代，切割線更細使得單根晶棒帶來4-5倍的切割產(chǎn)出的提升，并將切割時間從10小時以上縮短到1.5小時乃至更低，同時使得整體單位時間產(chǎn)能擴大至20余倍，加上ACOPOS系統(tǒng)更低的生產(chǎn)能耗，這些綜合技術(shù)的應(yīng)用，整體帶來了光伏晶片成本的大幅下降。

　　(3)PECVD控制

　　在各種工藝中，PECVD成為關(guān)鍵設(shè)備，反應(yīng)氣體進入腔體，并經(jīng)由射頻電場激發(fā)，氣體分解為等離子體，并相互產(chǎn)生化學反應(yīng)，有些成分會沉積到晶硅表面逐漸形成固態(tài)薄膜，而副產(chǎn)出物則經(jīng)由泵作用下排出。

　　貝加萊X20控制器提供了獨立的槳與舟的送料系統(tǒng)，控制其氣體流量、壓力，以及電源、溫度加熱系統(tǒng)的控制，爐體控制為獨立式，也可以為多個共用CPU模式，圖10提供了更為獨立的單元控制設(shè)計，X20控制器采用了獨特的納米特層處理，能夠適用于具有氣體污染的工作氛圍。

圖10 貝加萊PECVD解決方案

　　對于管式PECVD，石英管內(nèi)包裹著環(huán)形加熱管道，石英管外壁安裝熱電偶溫度傳感器用于檢測外管加熱溫度，內(nèi)管同樣也有熱電偶溫度傳感器。對于這樣的溫度傳遞模型，可以預(yù)見的是加熱管加熱后，熱量是需要非常長的時間才能傳遞到內(nèi)管硅片反應(yīng)室內(nèi)的，僅通過簡單的PID運算是無法準確控制硅片反應(yīng)室的溫度。此時合適的基于真實物理模型的控制就尤為重要，貝加萊基于管式PECVD這一類型的大滯后溫度傳遞物理對象，仿真及搭建出準確的被控對象模型，基于模型的濾波及溫度預(yù)測，融合自適應(yīng)溫度控制算法，使得溫度精度、升溫速度都有卓越的改善。

　　石英管內(nèi)通常有多個溫區(qū)，多個溫區(qū)根據(jù)各自溫區(qū)的內(nèi)外管溫度控制各自加熱管功率。實際情況是多個溫區(qū)之間是相互干擾及耦合的，此時多路溫區(qū)的耦合同步控制將更加關(guān)鍵。貝加萊mpTemp提供的多溫區(qū)同步整定功能，通過同步加熱，解耦控制，以實現(xiàn)更高的控制精度。

　　光伏制造過程中的數(shù)據(jù)記錄、趨勢、配方管理等都需要系統(tǒng)具有良好的數(shù)字化呈現(xiàn)、傳輸和分析能力——而貝加萊為此同樣提供了支撐，其軟硬件架構(gòu)基于開放式設(shè)計，支持OPC UA/MQTT傳輸，以及Windows下的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)趨勢實時呈現(xiàn)等功能。