基于solidworks的太陽(yáng)能組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)

1、專(zhuān)業(yè)： 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： Hebei Normal University of Science & Technology本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（自然科學(xué)） 題 目： 基于solidworks的太陽(yáng)能組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì) 院（系、部）： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 職 稱 2011年 05 月 08 日河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于solidworks的太陽(yáng)能組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)院（系、部）名 稱 ： 專(zhuān) 業(yè) 名 稱： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 2011年 05 月 08 日河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制 學(xué) 術(shù) 聲 明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)

2、師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于河北科技師范學(xué)院。本人簽名： （需手寫(xiě)） 日期： （需手寫(xiě)） 指導(dǎo)教師簽名： （需手寫(xiě)） 日期： （需手寫(xiě)） 摘 要太陽(yáng)能是資源最豐富的可再生能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力，進(jìn)入2l世紀(jì)以來(lái)，世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)家大型工程項(xiàng)目、推廣計(jì)劃和國(guó)際合作項(xiàng)目的推動(dòng)下，以前所未有的速度迅速發(fā)展。為了滿足我國(guó)太陽(yáng)

3、電池組件生產(chǎn)企業(yè)對(duì)設(shè)備的要求，在各種電氣及機(jī)械設(shè)備法規(guī)的規(guī)定下，結(jié)合當(dāng)今太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用問(wèn)題，對(duì)半自動(dòng)太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)備未投產(chǎn)前力求更加真實(shí)的模擬機(jī)器的工作情況，減少生產(chǎn)成本和時(shí)間。在確定太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)總體結(jié)構(gòu)和功能要求的基礎(chǔ)上，利用逆向設(shè)計(jì)思路、SolidWorks三維造型對(duì)層壓機(jī)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，對(duì)各種零件進(jìn)行模擬裝配及運(yùn)動(dòng)分析，檢查機(jī)械各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生干涉；再運(yùn)用SolidWorks內(nèi)自帶的COSMOSWorks模塊進(jìn)行有限元分析，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。通過(guò)模仿真實(shí)環(huán)境下的工作發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，最終完成太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。

4、關(guān)鍵詞：SolidWorks；太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)；有限元分析AbstractSolar energy is the most abundant renewable resources of energy, has unique advantages and great potential for the development and utilization into the 2l century, the worlds solar photovoltaic industry, the rapid development of photovoltaic industry in the stat

5、e of large-scale projects, promotional programs and international cooperation Under the impetus of the project, the rapid development of an unprecedented rate. In order to meet our solar module production business requirements of the equipment, electrical and mechanical equipment in a variety of reg

6、ulations, the combination of todays solar module laminating machine development, taking into account economic and practical problems, the solar group of semi-automatic laminating machine parts design, the device is not put into a more realistic simulation of the former sought to work the machine, re

7、ducing production costs and time. In determining the overall structure of solar module laminator and functional requirements, based on the idea of using reverse design, SolidWorks three-dimensional modeling of the lamination machine model design, simulation of various parts assembly and motion analy

8、sis, check the mechanical movement of each component whether the interference; then use the built-in SolidWorks COSMOSWorks finite element analysis module, the mechanics of the calculation of transmission mechanism. Environment by imitating the work of the real find and correct design problems, and

9、ultimately complete solar module laminating machine design and manufacturing.Keywords: SolidWorks；finite element analysis；Solar module laminator 目 錄摘 要IAbstractI1 緒論11.1 論文研究背景與意義11.2 *11.2.1 *11.2.2 *11.3 *11.3.1 *11.3.2 *12 *122結(jié)論2致謝3附錄3 1 緒論 1.1 論文研究背景與意義由于傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣等)的日漸短缺，傳統(tǒng)能源的不可再生性和對(duì)環(huán)境日益加重的

10、負(fù)面影響，以及各個(gè)國(guó)家的能源安全考慮，使得太陽(yáng)能發(fā)電的光伏產(chǎn)業(yè)(PV)在上世紀(jì)末本世紀(jì)初受到世界各國(guó)的重視。日本、歐洲和美國(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源消耗大的國(guó)家起步較早，在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池組件封裝設(shè)備自動(dòng)化程度高，控制方式靈活，產(chǎn)品系列較為完善，但產(chǎn)品價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能電池封裝設(shè)備水平低,不能達(dá)到組件生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力。隨著國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)方面政策因素不斷向好（國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020年)已將“高性價(jià)比太陽(yáng)能光伏電池及利用技術(shù)”列為優(yōu)先主題），太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)將是我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的重要方向。據(jù)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)設(shè)備行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)新上標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池生

11、產(chǎn)線僅有約三分之一的市場(chǎng)被國(guó)產(chǎn)設(shè)備占領(lǐng)，太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)設(shè)備已成為我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前，制約我國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量的主要原因，一是沒(méi)有足夠的太陽(yáng)級(jí)硅片，二是大部分太陽(yáng)電池廠封裝機(jī)技術(shù)水平低，不能達(dá)到組件生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力。而進(jìn)口一臺(tái)層壓機(jī)需要15萬(wàn)美元以上，企業(yè)難以承擔(dān)。因此，層壓機(jī)的國(guó)產(chǎn)化是發(fā)展太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重大課題。太陽(yáng)能電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其中包括硅系太陽(yáng)電池和非硅系太陽(yáng)能電池等，硅系太陽(yáng)電池有晶硅系太陽(yáng)電池和非晶硅系太陽(yáng)電池。在非晶硅太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)鏈上分布著非晶硅薄膜制備、電池制造、組件封裝、組件測(cè)試四個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都迫切需要開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的加工設(shè)備。我國(guó)現(xiàn)有的封裝設(shè)

12、備國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)，但性能和配套性同國(guó)外有很大的差距。目前層壓機(jī)的制造多為中小企業(yè)，缺乏研發(fā)實(shí)力，產(chǎn)品的制造多停留在仿制階段上，沒(méi)有掌握產(chǎn)品的核心技術(shù)。 根據(jù)市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，到2010年，全世界PV市場(chǎng)年安裝量將在3.2GW3.9GW，而光伏工業(yè)年收入將達(dá)到186億231億美元，最近三年全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量平均年增長(zhǎng)率高達(dá)49.8%以上。在國(guó)際市場(chǎng)的強(qiáng)力帶動(dòng)下，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)也增長(zhǎng)迅猛，太陽(yáng)電池市場(chǎng)處于飛速發(fā)展中。目前，多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池已應(yīng)用于太陽(yáng)能電池組件，迫切需要開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的加工設(shè)備，提高現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)裝備水平和產(chǎn)能。目前太陽(yáng)能電池層壓設(shè)備向著專(zhuān)業(yè)化、自動(dòng)化、智能化的

13、方向發(fā)展。我國(guó)的常規(guī)能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10%，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷壯大，對(duì)能源的需求逐漸增大，常規(guī)能源將不足以滿足我國(guó)對(duì)能源的需求。發(fā)展太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)將是改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、緩解能源需求的重要措施。目前，我國(guó)太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，很多國(guó)內(nèi)公司通過(guò)與國(guó)外公司的合作已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行或計(jì)劃進(jìn)行多晶硅薄膜電池項(xiàng)目的投資，迫切需要研制出太陽(yáng)能組件相關(guān)的制造設(shè)備。1.2 SolidWorks軟件簡(jiǎn)介SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為

14、制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬(wàn)，涉及航空航天、機(jī)車(chē)、食品、機(jī)械、國(guó)防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂(lè)工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等。其中的CosmosWorks軟件是一套強(qiáng)大的有限

15、元分析軟件，采用FFE（Fast finite Element）技術(shù)使得復(fù)雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短。COSMOS/Works是完全整合在Sol-DWORKS 中設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量，和優(yōu)化分析。為設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。2太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1太陽(yáng)能層壓組件層壓機(jī)的機(jī)構(gòu)半自動(dòng)太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)由架體、起升鉸架、上箱、加熱板、起升氣缸、鈑金六個(gè)部分組成。如下圖1（鈑金部分已略去）所示：圖1

16、太陽(yáng)能組件層壓機(jī)三維模擬圖1上箱 2加熱板 3架體4氣缸 5起升絞架2.2太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的系統(tǒng)組成圖2 層壓機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)在工作過(guò)程中主要提供兩個(gè)生產(chǎn)環(huán)境：真空環(huán)境和高溫環(huán)境。分別由真空泵和加熱爐提供實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2：2.2.1加熱系統(tǒng)層壓機(jī)加熱方式一般采用油加熱和電加熱兩種方式，這里我們采用導(dǎo)熱油加熱，加熱溫度200。加熱管在使用過(guò)程中分為兩組，開(kāi)啟加熱時(shí)，兩組加熱管同時(shí)工作，當(dāng)設(shè)備溫度達(dá)到使用溫度以后，設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉其中一組加熱管，僅用其中的一組即可維持設(shè)備溫度。加熱系統(tǒng)包括加熱板、加熱器、鉑電阻溫度傳感器、熱油泵、膨脹油箱和加熱功率控制器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 加

17、熱系統(tǒng)圖2.2.2真空系統(tǒng)太陽(yáng)能電池組件一般由五層工質(zhì)疊層而成。放入層壓機(jī)內(nèi)層壓時(shí)，需將工質(zhì)與工質(zhì)之間的空氣抽走，否則EVA在融化時(shí)，會(huì)將空氣封存在組件內(nèi)，造成產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求。真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正是滿足這一要求。真空泵分為油封和水封兩種，在這里，我們選用效率更好的油封真空泵。2.2.3起升系統(tǒng)考慮該機(jī)型的實(shí)際要求和經(jīng)濟(jì)型，這里我們采用氣動(dòng)方式作為該機(jī)型的起升方式。起升系統(tǒng)主要有起升絞架、工作氣缸、氣源控制元件和氣源處理元件幾部分組成圖4 氣路圖層壓機(jī)在工作狀態(tài)時(shí),各開(kāi)關(guān)閥門(mén)的工作狀態(tài)如下:抽真空程序使,上下室真空閥門(mén)全部打開(kāi),所有電磁閥都關(guān)閉,在進(jìn)行到加壓程序時(shí),上室真空閥關(guān)閉,同時(shí)上室充氣閥

18、門(mén)打開(kāi),外界的大氣通過(guò)管道進(jìn)入到上室;層壓程序時(shí),上室充氣閥門(mén)關(guān)閉,其他閥門(mén)保持不變,開(kāi)蓋程序時(shí),上室真空閥門(mén)打開(kāi),下室真空閥門(mén)關(guān)閉,同時(shí)下室充氣閥門(mén)打開(kāi),外界的大氣進(jìn)入到下室,下室充氣完畢后,層壓機(jī)上蓋打開(kāi)。2.2.4控制系統(tǒng)2.3太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的工作過(guò)程2.3.1預(yù)熱過(guò)程層壓機(jī)開(kāi)始工作前，啟動(dòng)加熱爐，對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱。加熱的同時(shí)利用加熱爐自帶的循環(huán)泵將導(dǎo)熱油帶入加熱板，導(dǎo)熱油在加熱板內(nèi)循環(huán)流動(dòng)后，再流回加熱爐內(nèi)加熱，這個(gè)過(guò)程中，導(dǎo)熱油將熱量傳給加熱板。如此循環(huán)過(guò)程，直到加熱板達(dá)到預(yù)先設(shè)定溫度，加熱泵停止加熱（加熱溫度由層壓過(guò)程中使用的EVA決定）。2.3.2放料過(guò)程將疊層好的電池片放入

19、層壓機(jī)內(nèi)，一般的電池片疊層為五層，從上往下依次為玻璃片、EVA、焊接好的電池片、EVA、背板TPT(玻璃片)。2.3.3層壓過(guò)程合上蓋后進(jìn)行下室抽氣。層疊好的太陽(yáng)電池板放置在兩層玻璃布之間(屬于下真空室部分)，EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物膠膜)在層壓機(jī)內(nèi)開(kāi)始受熱，達(dá)到熔融狀態(tài)。EVA與電池板、玻璃、TPT(太陽(yáng)能背板專(zhuān)用復(fù)合膜)之間如有空氣存在，下室抽氣(抽真空)可以將這些間隙中的空氣排除。抽氣之后對(duì)上真空室充氣進(jìn)行加壓。在加壓過(guò)程中，下室繼續(xù)抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構(gòu)成的上真空室，充氣后體積膨脹(由于下室抽真空)充斥整個(gè)上、下室之間，擠壓放置在下室的電池片、EVA等，熔融后的EVA在擠壓和

20、下室抽空的作用下，流動(dòng)充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時(shí)排出中間的氣泡。2.3.4取料過(guò)程層壓過(guò)程結(jié)束后，電池片還需在層壓機(jī)內(nèi)保持十分鐘左右，以使EVA固化。在層壓過(guò)程中，下室處于真空狀態(tài)，在大氣壓力作用下，上蓋受向下的壓力。所以開(kāi)蓋前，須向下室充氣。然后利用設(shè)置在上箱的兩個(gè)起升絞架將上箱起升，取出電池片，再進(jìn)行下一塊電池組件的封裝。3太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析通過(guò)solidworks軟件對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真和分析能夠模擬真實(shí)環(huán)境中傳動(dòng)裝置的工作狀況，并對(duì)其進(jìn)行分析和判斷，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和潛在的失敗可能，提前進(jìn)行改善和修正，以減少后期修改而付出的寶貴代價(jià)，縮短設(shè)計(jì)周期。4起升絞架的有

21、限元分析起升絞架是太陽(yáng)組件層壓機(jī)起升系統(tǒng)的主要工作元件。在工作過(guò)程中要承受來(lái)自箱的交變載荷，其力學(xué)性能和機(jī)械性能直接影響太陽(yáng)電池組件層壓機(jī)的工作可靠性。起升絞架的主要失效形式為變形和折斷，為簡(jiǎn)化模型，提高分析效率，對(duì)起升絞架進(jìn)行受力分析時(shí)，采用以下分析方法進(jìn)行分析。4.1建立三維模型圖2 起升絞架模型圖打開(kāi)solidworks軟件，新建一零件圖。在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)與其配合的零件的結(jié)構(gòu)尺寸，繪制起升絞架的三維模型圖，如圖2：4.2定義約束和載荷約束和載荷都是在solidworks里用來(lái)仿真實(shí)物的重要依據(jù)，“約束”是針對(duì)實(shí)際的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面的自由度做一約束。對(duì)起升鉸架模型的四個(gè)鉸接點(diǎn)施加鉸鏈約束（鉸鏈約束可以指定圓柱面只能繞自己的軸旋轉(zhuǎn)）。載荷需通過(guò)計(jì)算獲得，其計(jì)算過(guò)程如下： 在SolidWorks軟件中對(duì)上箱各個(gè)零部件原料進(jìn)行設(shè)定，全部為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，在“工具”菜單欄中，選擇查看質(zhì)量特性選項(xiàng)，會(huì)自動(dòng)生成上箱的總質(zhì)量和重心等數(shù)據(jù)。由軟件可知上箱總重m=985.4kg 則上箱G=mg=9656.92N 近似為9657N起升絞架在合蓋到位位置受力最大，所以取其合蓋到位位置進(jìn)行受力分析針對(duì)上箱建立力學(xué)模型如圖3： 圖3 上箱受力圖根據(jù)空間任意力系的平衡方程：2Fy2x2=Gx1 得Fy2=338N2 Fy2+ 2 Fy1=G. 得Fy1=4490.5N 圖4 起升