摘要：太陽能發(fā)電（光伏）與風電、核電等同為被世界公認的未來新型能源趨向，隨著環(huán)保壓力越來越大，太陽能作為綠色清潔能源正逐漸被市場接受，開始顯現(xiàn)巨大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。目前國?nèi)太陽能行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，主要分單晶硅、多晶硅和非晶硅等不同的電池類型，在整個太陽能電池家族中，非晶硅薄膜太陽能電池因為其技術和應用方面的優(yōu)勢，正在獲得爆發(fā)性增長。2007年以來年行業(yè)增速超過100%，非晶硅產(chǎn)品以價格低廉，污染小，制造成本低等優(yōu)點受到廣泛關注，對非晶硅太陽能電池的制造設備的需求也在不斷增加。福建鈞石能源有限公司做為國內(nèi)非晶硅太陽能電池行業(yè)的領軍企業(yè)，專業(yè)從事非晶硅太陽能電池及其應用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設備的設計開發(fā)、制造和銷售，在薄膜技術，真空處理及精密制造方面有著豐富的經(jīng)驗，可為客戶量身定制具有廣泛應用的整線方案及設備，產(chǎn)品組合包括：獨有的等離子體增強化學氣相沉積設備，用于光伏層的沉積；獨有的磁控濺射設備，用于沉積導電電極層；自動化整線服務，經(jīng)集成的成套薄膜太陽能電池制造系統(tǒng)。在整線制造工藝的關鍵流程等離子體化學氣相沉積設備（PECVD）和物理氣相沉積設備（PVD）的自控環(huán)節(jié)，西門子S7-300和WINCC作為成套薄膜太陽能電池控制系統(tǒng)的解決方案，在大批量的應用中體現(xiàn)出穩(wěn)定，可靠和故障率低的特點，保障促進了福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池的飛速發(fā)展。
本文結(jié)合非晶硅太陽能電池整線制造工藝控制系統(tǒng)的特點，以福建鈞石能源成套薄膜太陽能電池制造系統(tǒng)為例介紹了西門子S7-300和WINCC控制系統(tǒng)的應用情況，并對一些關鍵技術和引領行業(yè)發(fā)展方向的控制理論做深入探討。

關鍵詞：
福建鈞石能源    非晶硅太陽能電池   成套薄膜太陽能電池    PECVD     PVD   S7-300  WINCC   西門子綜合解決方案

行業(yè)概述：
    太陽能發(fā)電是一種公平的、無污染的、絕佳的傳統(tǒng)能源替代品。只是局限于科技水平的現(xiàn)狀，特別是儲能（電池）技術的現(xiàn)狀，造成其發(fā)電成本過高（超過上網(wǎng)電價），加之當前應用比較廣泛的上游太陽能電池板生產(chǎn)的主要原材料多晶硅在生產(chǎn)加工過程存在污染環(huán)境的問題，使得太陽能的發(fā)展受到一些阻力。光伏太陽能發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電力，晶體硅技術是光伏工業(yè)使用的原始材料技術。傳統(tǒng)的晶體硅太陽能發(fā)電板首先被廣泛應用于太空衛(wèi)星上，這種太陽能發(fā)電板是用逐步反復，批量生產(chǎn)的工序從單晶硅或多晶硅的小晶片制造而成。雖然這種技術的開發(fā)已取得很大的進展，但是晶體光伏發(fā)電組件的成本還是因為材料的成本以及生產(chǎn)這種發(fā)電組件所需的煩瑣工藝而持續(xù)居高不下。晶體硅太陽能發(fā)電組件體積龐大，容易破碎而且生產(chǎn)耗能更多。生產(chǎn)太陽能發(fā)電板的另一種薄膜技術使用到金屬鎘，這種技術損害環(huán)境而且在生產(chǎn)過程中及售后服務上都需極多的管理維護。
    從目前國際太陽電池的發(fā)展過程中看，其趨勢大致為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、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”（薄膜電池）正是業(yè)內(nèi)對以單晶硅和多晶硅為主原料的太陽能電池的更新?lián)Q代。一些薄膜電池中已經(jīng)徹底放棄了對多晶硅的應用，從而解決了“環(huán)保技術不環(huán)保”光伏上游多晶硅生產(chǎn)過程中存在的污染問題。相比于傳統(tǒng)晶體硅電池，非晶硅薄膜太陽能電池具有以下優(yōu)勢：
1、生產(chǎn)成本低：非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本相比晶體硅電池的生產(chǎn)成本具有無可比擬的優(yōu)勢；
2、能量返回期短：轉(zhuǎn)換效率為8%的非晶硅太陽能電池，其生產(chǎn)用電發(fā)電后收回上述能量的時間僅為1-1.5年；
3、適于大批量生產(chǎn)：采用大面積多疊成硅基薄膜電池的規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)方式具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高的特點；
4、高溫性能好：當太陽能電池工作溫度高于標準測試溫度25℃時，其最佳輸出功率會有所下降，非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多；
5、弱光響應好，充電效率高：非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個可見光范圍內(nèi)，在實際使用中對低光強光有較好的適應；
6、薄膜柔性特質(zhì)，適用性好：傳統(tǒng)硅晶電池存在電池主體易破碎、攜帶不便、抗震能力差等缺點，非晶硅薄膜太陽能電池所具有的柔性特質(zhì)，決定了其比傳統(tǒng)硅晶電池的應用更廣泛。
    上述獨特的技術優(yōu)勢，令薄膜硅電池在民用領域具有廣闊的應用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽能照明光源等。
    當然非晶硅薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)化過程中最大的阻力就是難以提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，相比于多晶硅太陽能電池高達22％~27％的轉(zhuǎn)化率，福建鈞石領先于業(yè)界的非晶硅薄膜太陽能電池工藝技術當前階段也只能達到8%的轉(zhuǎn)化率，雖然最新的工藝有望達到10%的轉(zhuǎn)化率，但相比多晶硅太陽能電池來講還是存在不小得差距。

企業(yè)介紹：

    福建鈞石能源有限公司是國內(nèi)非晶硅薄膜太陽能電池僅有的至今成功交付150＋MW成熟整線生產(chǎn)方案的供應商，公司專業(yè)從事太陽能電池及其應用產(chǎn)品以及生產(chǎn)設備的設計開發(fā)、制造和銷售。公司在泉州、北京、天津設有太陽能電池研發(fā)中心、太陽能電池設備研發(fā)中心和工程中心以及太陽能電池生產(chǎn)基地。企業(yè)匯聚了一大批國內(nèi)外知名太陽能電池技術和管理專家，并與太陽能薄膜電池領域國際權威的南開大學光電子研究所緊密合作，擁有薄膜電池領域多項技術專利，技術開發(fā)能力屬于同行業(yè)領先水平，公司定位于成為世界上最大的太陽能薄膜電池生產(chǎn)企業(yè)之一。
    福建鈞石能源有限公司的設備與技術帶有多項行業(yè)領先的創(chuàng)新設計（如下圖），使大面積多疊成硅基薄膜電池的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

    福建鈞石提供的自動化整線生產(chǎn)系統(tǒng)，具有高效的產(chǎn)出率，高穩(wěn)定運行及較低的設備維修費用。該系統(tǒng)向客戶提供業(yè)界生產(chǎn)薄膜硅太陽能電池最佳性能和最低每瓦生產(chǎn)成本的設備，為客戶訂制的可模塊化設計有助于系統(tǒng)的進一步升級與擴展，從而實現(xiàn)真正的規(guī)?；a(chǎn)。 

    福建鈞石的整線系統(tǒng)獲得IEC及UL的認證，已向多家國內(nèi)客戶提供了數(shù)百兆瓦的成套設備，并且正向亞洲的其他地區(qū)、北美及歐洲擴展，客戶通過使用福建鈞石的整線生產(chǎn)設備和認證支持服務已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并成功獲得相關認證。
    福建鈞石的整線生產(chǎn)方案由等離子化學氣相沉積（CVD1100）和背電極磁控濺射（PVD）這兩個核心設備及其他配套裝備和技術所組成，這種模塊化的設計具有靈活可塑性，便于系統(tǒng)最優(yōu)化和未來的升級。
    CVD-1100型等離子化學氣相沉積設備
    PECVD主要構(gòu)成和技術：
單室操作的不銹鋼全加熱真空室，具備整體保溫結(jié)構(gòu)；
獨立大容量可換型反應箱，周期產(chǎn)量72片，總面積57平方米；
雙真空系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)由無油大抽速干泵和壓力控制系統(tǒng)組成，高真空系統(tǒng)由磁浮分子泵系統(tǒng)構(gòu)成；
控制系統(tǒng)以上位機組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進行連接；

工藝軟件系統(tǒng)由獨特的工藝指令集構(gòu)成，工藝編制安全完善，數(shù)據(jù)安全保存和靈活調(diào)用，可以輕松實現(xiàn)復雜工藝的變成和全自動操作；
控制軟件具備系統(tǒng)自檢和校準功能，確保規(guī)模生產(chǎn)的設備重復性和良品率；
完善的安全報警機制，對系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進行實時監(jiān)控；
多RF電源穩(wěn)定技術，系統(tǒng)包含18臺RF射頻電源，通過工藝軟件進行管理的多種控制模式和專利設計的FX72反應箱，可以使放電穩(wěn)定進行，避免不同電源的干擾和串擾。

PVD磁控濺射 主要構(gòu)成和技術
十室八靶結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)鍍制AZO、Ag、Al等多種薄膜電池背電極；
全不銹鋼真空室，包含內(nèi)部氣體隔離和加熱系統(tǒng)；
采用全自動操作，可以配置接口連接其他自動設備；
真空系統(tǒng)采用國際優(yōu)質(zhì)磁浮式分子泵和大抽速機械羅茨泵組，最快進出片節(jié)拍到小于75s，工作真空穩(wěn)定，無串氣波動；
    獨立的濺射冷卻水配置系統(tǒng)確保大功率濺射的穩(wěn)定；
完善的安全報警機制，對系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)、部件互鎖保護、電源輸入、氣壓、水流、水溫等參數(shù)進行實時監(jiān)控；
進口濺射電源及供氣系統(tǒng)；
控制系統(tǒng)以上位機組態(tài)軟件為監(jiān)控窗口，PLC作為控制核心，系統(tǒng)通過PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，傳感器可以監(jiān)控每個陰極、泵、腔室真空度、溫度、工件位置、速度等參數(shù)狀態(tài)，并實時顯示在桌面和異常報警。

SIMATIC S7-300和WINCC在PVD上的應用：
    背電極磁控濺射（PVD）主要用來制作太陽能電池板的背電極，它對整個電池產(chǎn)品的質(zhì)量起到非常重要的作用，因此對PVD設備的控制要求也相對較高。PVD設備要求將鋁或氧化鋅等背電極材料通過磁控濺射的形式鍍到電池片上，并能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求對濺射電源的功率、傳動速度、濺射壓力以及氣體流量等工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)。整套控制系統(tǒng)由以下幾部分組成:真空控制單元、傳動控制單元、流量控制單元、電源控制單元、測試檢驗單元、數(shù)據(jù)采集單元、真空測量單元、烘烤加熱單元。
    控制系統(tǒng)選型考慮到系統(tǒng)對于穩(wěn)定性功能性的需求和需要不斷地進行工藝改進從而對控制系統(tǒng)技術服務的依賴性要求，基于西門子周到的行業(yè)經(jīng)理定點定人的售后服務模式，綜合考慮最終確定了西門子SIMATIC S7-300系列可編程控制器做為集成自動化控制系統(tǒng)中的控制核心。由于對設備中的泵、電源、變頻器的實時監(jiān)控要求較高，需要交互的參數(shù)和信息量大，并且需要根據(jù)工藝的變化迅速作出實時的調(diào)整，考慮到PROFIBUS總線通訊速率可達12M，且使用靈活(可根據(jù)GSD文件靈活選擇所需功能塊)，可擴展從站數(shù)量多，并被大量控制系統(tǒng)廣泛采用和支持，所以自動化控制系統(tǒng)采用PROFIBUS總線的方式來搭建