基于创新方法的光伏电池焊点断裂分析与改进

吴贵军　国秀丽　张运真

（安阳工学院机械工程学院，河南　安阳　455000）

基于创新方法的光伏电池焊点断裂分析与改进

吴贵军国秀丽张运真

（安阳工学院机械工程学院，河南安阳455000）

结合我国光伏电池的应用每年都以较高的速度增长的情况，引入创新方法对光伏电池焊点断裂原因进行分析，发现是因温度变化引起内部组件变形量不一致所致。因此，定义了技术矛盾，利用TRIZ理论中的矛盾矩阵进行求解，提出光伏电池压紧机构的解决方案，通过数据计算及利用软件变形量分析，该方案切实可行。关键词：创新方法；光伏电池；焊点断裂

近几年，随着现代工业的不断发展与扩张，人均汽车保有量的增加，我国大气污染触目惊心，2014年石家庄高达264d，北京污染天数为175d，如今在中国每年因大气污染过早死亡的人数有50万人之多，一方面大气污染问题日益突出，另一方面全球能源危机日益显现。而太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。2013年年底，全国22个主要省（自治区直辖市）已累计并网741个大型光伏发电项目，全年累计发电量达90亿kW·h［1］。国家能源局日前公布的数据显示，2014年我国光伏发电累计并网装机容量2 805万kW，同比增长60%。其中，光伏电站2 338万kW，分布式467万kW，光伏年发电量约250亿kW·h。而在国内某公司2012年为印度建设80MW光伏装机容量，使用约0.5a的时间出现了光伏电池电流明显减弱、电压低、不发电等现象，面临巨额赔款，如何找出其中原因、分析解决问题成为该企业生存发展的关键，而采用创新方法无疑是解决该问题的重要手段。

1　创新方法

在设计中应用创新方法将有助于设计者高效、创新地解决问题［2］。作为专门研究创新设计方法的TRIZ理论已建立起一系列的具有普通实用性的工具，帮助设计者尽快获得满意的最终解。由前苏联根里奇·阿奇舒勒及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1 500人/a的时间，在分析250万件专利的基础上，研究与归纳人类在进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理与法则后建立的。其内容广泛，总结为：①8大技术系统进化法则；②IFR最终理想解；③40个发明原理；④39个通用工程参数和阿奇舒勒矛盾矩阵；⑤物理矛盾和分离原理；⑥物-场模型分析；⑦76个标准解法；⑧ARIZ发明问题解决算法；⑨科学原理效应库［3］。

2　问题分析

光伏电池是由上下光伏电池片与其两侧的EVA胶膜、顶层的钢化玻璃、底层的TPT衬板封装而成，电池焊点断裂在我国发生概率很小，且该出口公司从原材料、加工、焊接、封装过程与其在国内销售的光伏电池无明显差异，出口到印度的该批次产品怎么会出现如此严重的问题，这里采用创新方法中的5个为什么对该问题进行追根溯源：①为什么会出现焊点断裂呢；②焊点出现断裂是由于焊接点处的抗拉强度不足，为什么会在焊点出现拉力呢；③焊接点出现拉力是由于EVA胶膜的牵引所致，为什么会出现EVA胶膜的对焊点的牵引力呢；④EVA胶膜的对焊点的牵引力是由于其形变量与光伏电池片变形量不一致，为什么会出现变形呢；⑤印度昼夜温差大，冬季最低气温按-30℃，夏季最高气温50℃，温差达到80℃，EVA胶膜的热变形量远远大于光伏电池片的热变形量。

至此，昼夜温差大是产生焊点断裂的根本原因，环境温度变化是自然界的规律，而光伏电池需要完全暴露在室外环境中，如何解决该问题，可以采用TRIZ理论进行求解：环境温度变化，使光伏电池焊点处受到拉力牵引，导致光伏电池可靠性降低，改善上述问题可能使光伏电池的适应性降低，复杂程度提高。

上述问题用39个通用技术参数就可表示成：需要改善的参数是温度与产生的恶化参数是适应性之间的矛盾；需要改善的参数是力、可靠性与产生的恶化参数是系统复杂性三者之间的矛盾，产生的矛盾矩阵如表1所示。

表1　光伏电池焊点断裂的矛盾矩阵

根据表1的矛盾矩阵，方案一产生推荐的发明原理是：1分割原理；2抽取原理；10预先作用原理；13反向作用原理；18机械振动原理；26复制原理；27廉价替代品原理；35物理或化学参数改变原理。矛盾矩阵中推荐了8项发明原理，给出了问题可能的有效解法，尝试采用10预先作用原理，对焊点出加以保护，防止其受到拉力的牵引。通过实验对光伏电池焊接点处压力在5.0～6.5kg时不会压碎钢化玻璃，环境温度在-30～50℃之间变化时，焊点拉力变化微小，不会造成断裂。设计出如图1所示的压紧机构。

图1　光伏电池焊点压紧机构

3　光伏电池压紧机构可行性分析

使用该压紧机构在温度变化时其本身同样受环境温度影响变形，导致其对光伏电池焊点压紧力发生变化，其可行性需要进一步验证。光伏压紧机构各部分尺寸如图2所示。

图2　光伏电池压紧机构各部分尺寸

温差80℃条件下，光伏电池压紧机构各部分热变形量如表2所示，电池片、TPT衬板较薄，计算时予以忽略。

热变形量计算公式：△L=α·L·△T

式中：△L为变形量，α为膨胀系数，L为零件尺寸，△T为温度变化量。

压紧支架中间零部件及玻璃总变形量差值为：

0.00448+0.005 57+0.002 40+0.002 88+0.001 63

=0.016 96mm

表2　光伏电池压紧机构热变形

由于受热膨胀，压紧支架的放松量为：

0.02227-0.016 96=0.005 31mm

使用三维软件对压紧支架进行建模，为简化模型将螺栓下方外伸部分作为压紧支架的外伸圆柱，进行有限元分析，圆柱底端受到5kg（50N）反作用力时压紧支架变形量如图3所示。圆柱底端受力6.5kg（65N）的力时压紧支架变形量如图4所示。

图3　5kg（50N）的力情况下变形量

图4　6.5kg（65N）的力情况下变形量

从图3、4中可以看出，压力在5kg时压紧支架上螺栓底端变形量接近0.018 96mm，6.5kg时变形量接近0.024 65mm，之间的变化量为0.005 69mm，所以压紧支架压力在6.5kg到5kg之间变化时，可以补偿压紧支架的放松量0.005 31。即在冬季温度低至-30℃时，安装需要在6.5kg压紧力的情况下进行，夏季温度高至50℃时压紧力5kg条件下进行安装，其他温度进行安装作业时可以采用线性插值的方式进行压紧力的近似计算。

在压力6.5kg时，最大应力为16.56MPa，屈服应力为95.00MPa，所以压紧支架安全（见图5）。该方案在印度光伏电池板上得到了应用，时至今日，光伏电池极少出现焊点断裂的现象。

图5　6.5kg（65N）压力情况应力云图

4　结语

我国作为能源使用大国，大气污染日益恶化，批量使用太阳能发电这一洁净能源是未来发展的一个趋势，如何创新现有技术，解决关键难题是该行业需要重视的问题，出口到印度一批次光伏电池出现电压低、电流弱等现象，引入创新方法中的5个为什么对该问题进行因果分析，得出由于环境温差较大导致其内部组件热变形量不一致，使光伏电池焊点受到EVA胶膜的牵引发生断裂的结论，转化为TRI矛盾矩阵理论，根据推荐原理设计出光伏电池焊点压紧机构，同时对该压紧机构进行热变形量计算，并利用三维软件对该机构受力变形进行了模拟运算，计算出受力变形量可以抵消该机构的热变形量，该方案在生产中得到了应用。

［1］李雷，郭焱，王通胜，等.中国光伏产业现状与前景分析［J］.中外能源，2014（10）：25-30.

［2］尚万，赵武，曾杰，等.基于TRIZ的在役管道腐蚀检测装置创新设计［J］.机械工程与自动化，2015（1）：93-94，97.

［3］彭慧娟，成思源，李苏洋，等.TRIZ的理论体系研究综述［J］.机械设计与制造，2013（10）：270-272.

Analysis and Improvement of Photovoltaic Cells Based on Innovative Methods of Solder Joint Fracture

Wu GuijunGuo XiuliZhang Yunzhen
（School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000）

Combined with the application of photovoltaic cells in our country every year to a higher rate of growth，the reasons for the fracture of the solder joints of photovoltaic cells were analyzed by introducing innovative methods，it was found that the deformation of the internal components caused by temperature change was not consistent.Therefore，the technical contradiction was defined，and the contradiction matrix of TRIZ theory was used to solve the problem，the solution to pressing mechanism of photovoltaic cells was proposed.The program was feasible through the data calculation and deformation analysis by using the software. Keywords:innovative approach；photovoltaic cells；solder joint fracture

TM914

A

1003-5168（2016）05-0126-03

2016-04-21

吴贵军（1980-），男，讲师，研究方向：创新方法的教学及研究。