Что такое линия сборки солнечных модулей? Станции и поток — объяснение

Линия сборки солнечного модуля — это не список машин — это тактовый поток, в котором каждая станция задаётся ритмом самой медленной, а самая медленная — почти всегда ламинатор. Элементы входят с одного конца в виде отсортированных, протестированных пластин и выходят с другого в виде обрамлённого, электрически аттестованного, влагозащищённого модуля; между этими точками линия выполняет пять физических преобразований (пайка, укладка, ламинирование, обрамление и электрический тест) примерно на восьми–двенадцати станциях. Производительность определяется не суммой машин, а тактовым временем — количеством секунд на модуль, которое поток должен выдерживать — и тем, насколько хорошо буферизация скрывает разницу между временами цикла станций. Понимание линии как системы, а не как списка покупок, — это то, что отличает завод, достигающий своей номинальной мощности, от того, который работает на 60% от неё.

В этой статье рассматриваются последовательность станций и то, что каждая станция ограничивает в конечном продукте, выбор между полуавтоматической и полностью автоматической линией и мощность, при которой происходит переключение, логика буферов и незавершённого производства, где реальные линии теряют производительность, и что должен указать покупатель. О самой базовой последовательности процесса см. десятиэтапный процесс производства солнечных панелей.

Линия как поток, а не список машин

Определяющее свойство сборочной линии состоит в том, что станции связаны передаточным механизмом и задаются общим ритмом. В линии солнечных модулей этот ритм — тактовое время, выражаемое в секундах на модуль или, что полезнее, в модулях в час. Линия с номиналом 20 модулей в час имеет такт 180 секунд: каждая станция должна выполнять свою работу в среднем за 180 секунд.

Отсюда сразу следуют два вывода, и оба удивляют покупателей, впервые сталкивающихся с этим. Во-первых, производительность линии — это производительность её самой медленной станции, а не средней. Покупка высокоскоростного стрингера для питания медленного ламинатора не увеличивает выпуск; она увеличивает незавершённое производство. Во-вторых, времена цикла по станциям не сбалансированы естественным образом. Стрингер работает в секундах на элемент, ламинатор работает в цикле вакуумирования и отверждения 12–20 минут, а тестирование работает в десятках секунд. Заставить их взаимодействовать — вот в чём на самом деле состоит проектирование линии.

Ламинатор является задающим ритм элементом почти в каждой линии модулей, потому что это периодический процесс внутри непрерывного потока. Ламинатор с 15-минутным циклом и несколькими ярусами может выдавать один модуль каждые N секунд, где N — это цикл, делённый на число ярусов, но его нельзя ускорить, добавив операторов. Поэтому всё выше по потоку должно быть рассчитано так, чтобы ламинатор непрерывно снабжался, а всё ниже по потоку — так, чтобы успевать убирать то, что он выдаёт. Линии проектируются в обратном порядке от ламинатора.

Одна такая станция — лишь часть потока, поэтому последовательность важнее списка машин.

Последовательность станций и что каждая станция ограничивает

Таблица ниже сопоставляет основную последовательность станций с выполняемой функцией и, что важнее, со свойством конечного модуля, которое станция фиксирует. Как только модуль покидает станцию, дефект, созданный этой станцией, либо устраним ценой затрат, либо не устраним вовсе; последний столбец — это то, что покупателям действительно следует учитывать.

Если читать таблицу по горизонтали, становится видна логика проектирования. Станции с 1 по 5 определяют электрические свойства и надёжность модуля; станции с 6 по 9 определяют его механические и экологические свойства; станции с 10 по 12 определяют его коммерческую идентичность. Дефект, возникший в первой группе, невозможно исправить во второй, поэтому испытательные станции должны быть встроены в линию, а не только в её конце.

Полуавтоматическая или полностью автоматическая: когда переключение окупается

Различие между полуавтоматической и полностью автоматической линией — это не один переключатель. Это набор решений по каждой станции, и правильный ответ различается в зависимости от станции.

В полуавтоматической линии ячейки загружаются и стринги обрабатываются вручную в нескольких точках; укладка выполняется с помощью оператора, а не роботов; обрамление может быть ручным или полуавтоматическим; испытания часто проводятся вне линии. В полностью автоматической линии загрузка ячеек, передача стрингов, укладка, шинопроводка, обрамление и испытания связаны конвейерами и роботами с минимальным ручным вмешательством, а линия управляется с центрального HMI с управлением рецептами.

Автоматизация даёт три вещи: производительность на оператора, стабильность и прослеживаемость. Производительность — очевидная. Стабильность важнее, чем ожидает большинство покупателей, потому что ручная обработка является основным источником микротрещин, которые позже проявляются как потеря мощности и «следы улитки». Прослеживаемость важна для сертификации и гарантии: автоматическая линия регистрирует параметры по серийному номеру каждого модуля.

Переключение окупается, когда годовая экономия на оплате труда превышает амортизированную разницу в капитальных затратах плюс стоимость дополнительной дисциплины по времени безотказной работы, которую требует автоматизация. На практике эта точка перехода для многих рынков находится где-то в диапазоне 40–80 МВт и смещается раньше по мере роста местных зарплат. Важны две оговорки. Автоматизация не терпит плохой стабильности материала: автоматическая линия, получающая неоднородные ячейки, быстрее производит неоднородные модули. А частично автоматизированная линия часто оказывается худшей конфигурацией, потому что ручные станции перед автоматическими вновь вносят именно ту вариативность обработки, ради устранения которой покупалась автоматизация. Если вы не можете автоматизировать стрингер и укладку вместе, автоматизация только одного из них даёт меньше, чем обещает брошюра.

Выбор оборудования на уровне станций взаимодействует с этим решением способами, которые стоит понять до принятия обязательств. Таббер и стрингер задают потолок производительности; ламинатор задаёт темп; а конфигурация испытаний определяет, будут ли дефекты выявлены или отгружены, как описано в разделе встроенное или автономное EL-тестирование.

Логика буферов и незавершённого производства

Поскольку время цикла станций неодинаково и поскольку станции останавливаются на техническое обслуживание, смену материала и микропростои, сборочная линия без буферов передаёт каждое прерывание выше по потоку напрямую на ламинатор. Буферы — это механизм, который развязывает станции, а их размещение и размер являются проектными решениями с реальной стоимостью.

На линии сборки модулей буферы бывают трёх видов. Буферы стрингов находятся между стрингером и укладкой и сглаживают тот факт, что стрингование идёт циклами в темпе ячеек, тогда как укладка потребляет стринги партиями в темпе модулей. Буферы между укладкой и ламинатором — самые важные, потому что ламинатор задаёт темп, и его голодание является самым дорогим режимом отказа на линии. Буферы после ламинирования развязывают ламинатор с обрамлением и испытаниями, у которых снова другая структура циклов.

Компромисс — это оборотный капитал против выпуска. Каждый буферизованный модуль — это материал, за который вы заплатили и ещё не отгрузили, лежащий на конвейере. Слишком мало буфера — и задающий темп агрегат голодает, что стоит гораздо больше выпуска, чем стоило бы построить буфер. Слишком много буфера — и вы скрываете реальный дисбаланс мощностей за запасами, одновременно замораживая денежные средства. Практическая отправная точка — задать размер буфера подачи ламинатора так, чтобы он покрывал как минимум один полный цикл ламинирования плюс ожидаемую длительность микропростоя на предыдущих станциях, а затем измерять и корректировать.

Логика незавершённого производства также взаимодействует с качеством. Чем дольше ламинат находится в частично обработанном состоянии — особенно между укладкой и ламинированием, где инкапсулянт может поглощать влагу — тем больше сужается технологическое окно. Поэтому размер буферов нужно задавать во времени, а не только в единицах. Буфер, вмещающий девяносто минут выпуска во влажной среде, представляет собой иной риск, чем буфер на пятнадцать минут.

Где линия на самом деле теряет выпуск

Номинальная и фактическая мощность различаются, и этот разрыв имеет небольшое число повторяющихся причин. Понимать их ценнее, чем любую отдельную характеристику оборудования.

Голодание задающего темп агрегата — это самая крупная единичная потеря. Любая остановка выше по потоку, доходящая до ламинатора, стоит одного цикла ламинатора на каждое событие, а 15-минутный цикл означает 15-минутную потерю. Это проблема буферизации, а не скорости оборудования.

Несбалансированный такт — следующий фактор. Станция, время цикла которой превышает такт линии, навсегда ограничивает выпуск независимо от того, что делают другие станции. Это диагностируется путём измерения фактического времени цикла на каждой станции в течение полной смены и выявления той, которая задаёт потолок — а это не всегда та, на которую намекает брошюра поставщика.

Время переналадки — это скрытая потеря на заводах с несколькими форматами. Если переключение с одного формата ячейки или размера модуля на другой занимает четыре часа и вы делаете это дважды в неделю, вы отдаёте примерно полный рабочий день в неделю. Сохранённые рецепты, комплекты сменных ячеек и предварительно подготовленные материалы — это то, что превращает четырёхчасовую переналадку в сорокаминутную.

Потери выхода на необратимых станциях — это двойная стоимость: вы теряете маржу модуля и теряете слот мощности, который он занял. Поскольку ламинирование и стрингирование фактически необратимы, дефекты там гораздо дороже, чем дефекты, обнаруженные до них. Это экономический аргумент в пользу встроенного контроля, а не выборочной проверки в конце линии.

Наконец, колебания параметров коммунальных услуг и окружающей среды — падение давления сжатого воздуха, дрейф температуры охлаждённой воды, рост влажности в помещении для раскладки — проявляются как периодические проблемы качества, которые операторы приписывают материалам. Это проблемы уровня линии, требующие приборов уровня линии, и обычно они невидимы, пока кто-то не начнёт их регистрировать.

Оборудование для ламинирования обычно задаёт темп всей линии, поэтому производительность, буферизация и приёмочные испытания определяются вокруг этого станка.

Что должен указать покупатель

Запрос на линию модулей, состоящий из целевой цифры в МВт и размера ячейки, даст коммерческое предложение, которое нельзя сравнить ни с каким другим. Следующие пункты спецификации определяют, можно ли вообще сравнивать предложения и соответствует ли поставленная линия ожиданиям.

• Основа такта и производительности — модулей в час при заданном размере модуля и формате ячейки, при заявленном выходе, а не рекламная годовая цифра в МВт.
• Диапазон форматов ячеек — размеры ячеек, полные или половинные, количество шин, включая готовность к multi-busbar и zero-busbar, и необходимость поддержки back-contact форматов.
• Диапазон размеров модулей — минимальные и максимальные размеры стекла, а также диапазон профилей рам, который принимает станция обрамления.
• Граница автоматизации по станциям — какие операции обработки выполняются вручную, какие автоматически, и предполагаемая численность персонала на смену.
• Объём контроля — встроенный EL на уровне стринга и на уровне модуля, класс IV флеш-тестера и стандарт калибровки, а также включение испытания изоляции.
• Размер буфера — количество модулей в буфере до и после ламинатора, выраженное в единицах и во времени.
• Управление рецептами — сколько сохранённых рецептов, сколько комплектов сменных форматов ячеек включено и что включает переналадка.
• Коммунальные услуги и окружающая среда — электроэнергия, качество и давление сжатого воздуха, охлаждённая вода, нагрузка на пол, а также контроль влажности и температуры, предполагаемый для раскладки и ламинирования.
• Пусконаладка и обучение — продолжительность, кто оплачивает проезд и проживание, критерии приёмочных испытаний и как долго поддержка остаётся на площадке после передачи.
• Документация и соответствие — документация CE на оборудование, электрические чертежи, список запасных частей со сроками поставки и схемы на языке, который читает ваша служба технического обслуживания.

Стоит настаивать ещё на двух пунктах. Во-первых, протокол приёмочных испытаний, написанный до заказа, в котором указано, что будет измеряться, каким прибором, за какой период и что считается прохождением или непрохождением. Во-вторых, план квалификации материалов: линия должна демонстрируемо выдерживать свои спецификации как минимум с двумя квалифицированными поставщиками критических расходных материалов, потому что линия, настроенная на инкапсулянт одного поставщика, — это линия с единственной точкой отказа. Дисциплина закупок рассматривается далее в разделе что определяет цену машины.

Часто задаваемые вопросы

Что такое линия сборки солнечных модулей?

Это интегрированный набор станций, которые превращают отсортированные солнечные элементы в готовые, протестированные модули, связанные транспортной системой и работающие в едином такте. Основные станции — это сортировка и резка ячеек, таббирование и стрингирование, раскладка и монтаж шин, ламинирование, обрезка, обрамление, установка соединительной коробки, отверждение и электрические испытания. Линия определяется её потоком и тактом, а не отдельными машинами, потому что производительность ограничивается самым медленным станком, а не средним.

Как собирают солнечные панели?

Ячейки спаиваются в стринги таббером и стрингером, проверяются встроенной электролюминесценцией, затем укладываются на стекло с инкапсулянтом и соединяются шинами. Сборка ламинируется под вакуумом и нагревом, чтобы соединить стекло, ячейки и задний лист в один герметичный блок, обрезается и охлаждается, оснащается рамой и герметиком, получает соединительную коробку, отверждается и, наконец, проходит флеш-тест для измерения мощности и проверку на дефекты. Каждый этап ограничивает другое свойство готового модуля.

Сколько модулей в час производит типичная сборочная линия?

Полуавтоматические линии начального уровня обычно работают в диапазоне от 10 до 20 модулей в час, тогда как более крупные автоматические линии работают существенно быстрее, причём точная цифра зависит от размера модуля, формата ячейки и количества установленных ярусов ламинирования. Всегда запрашивайте производительность при заданном размере модуля и заявленном выходе, а не рекламную годовую мощность в мегаваттах, потому что эти две цифры описывают очень разные заводы.

Почему ламинатор является узким местом?

Потому что ламинирование — это пакетный процесс с циклом вакуума и отверждения от 12 до 20 минут, тогда как другие станции работают за секунды или десятки секунд. Его пропускную способность можно увеличить только добавлением ярусов, что является капитальным решением, а не операционным. Каждая другая станция на линии существует, чтобы непрерывно подавать ламинатор и освобождать его выход, поэтому проектирование линии начинается с ламинатора и идёт в обратном направлении.

При какой мощности имеет смысл полностью автоматическая линия?

Экономический переход обычно приходится на диапазон от 40 до 80 МВт и смещается раньше по мере роста местных затрат на рабочую силу. Ниже этого полуавтоматическая линия на 5–30 МВт является законной и часто более прибыльной конфигурацией. Решение следует проверять по вашим собственным ставкам заработной платы и портфелю заказов, а не принимать как отраслевую норму, и его следует принимать по каждой станции отдельно, а не для линии в целом.

В чём разница между буфером и незавершённым производством?

Это одни и те же физические модули с разными назначениями. Буфер — это намеренно рассчитанный запас, размещённый в определённой точке, чтобы развязать станции и защитить задающий темп станок от сбоев на предыдущих участках. Незавершённое производство — это любой частично обработанный материал в потоке. Различие важно, потому что запланированный буфер — это элемент конструкции, измеряемый в единицах и во времени, тогда как неконтролируемое НЗП — симптом ещё не диагностированного дисбаланса.

Может ли одна линия выпускать несколько типоразмеров модулей и форматов ячеек?

Да, в пределах диапазона, определённого при покупке, и это одна из самых ценных спецификаций для согласования. Практические ограничения — это диапазон стекла и рам в станции обрамления, совместимость ячеек и шин в стрингере, а также оснастка для укладки. Экономичность многоформатного производства обеспечивают сохранённые рецепты и комплекты сменных форматов, поскольку время переналадки напрямую вычитается из доступной мощности.

Где линия сборки модулей теряет больше всего производительности?

Простой ламинатора — самая крупная единичная потеря, так как каждое прерывание, доходящее до него, стоит полного цикла ламинации. Далее следует несбалансированный такт на одном медленном станке, затем время переналадки формата и потери выхода на необратимых станках, где дефекты уже невозможно исправить. Колебания параметров сжатого воздуха, охлаждённой воды и влажности дают ещё одну долю потерь, которую часто ошибочно относят к качеству материалов.

Суть: задавайте линию по такту, диапазону форматов, границе автоматизации для каждого станка, размеру буфера и протоколу приёмки — а не по рекламной цифре мегаватт. Отправьте Ooitech целевой размер модуля, формат ячеек и требуемую производительность, и мы вернём конфигурацию по каждому станку с первоочередным расчётом задающего темпа.

Дополнительные материалы и справочные данные

Публичные справочные материалы по этой теме, опубликованные организациями, которые поддерживают технологическую дорожную карту и рыночные данные отрасли:

• VDMA — Международная технологическая дорожная карта по фотовольтаике (ITRPV)
• Fraunhofer ISE — Отчёт по фотовольтаике
• Министерство энергетики США — Фотовольтаика