1 前言

1.1 太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況

太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來低碳社會的理想能源之一，當(dāng)下正越來越受到世界各國的重視。

我國也正在大力推進(jìn)光伏新能源產(chǎn)業(yè)，2009年我國光伏電池總產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的36%，主要集中在晶體硅電池領(lǐng)域。2009年11月，溫家寶總理向首都科技界發(fā)展講話，強(qiáng)調(diào)重點發(fā)展新能源等五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。2009年來，光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入政策頒布密集期：國務(wù)院《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃（2009-2011年）》將光伏產(chǎn)業(yè)列為調(diào)整振興重點；財政部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實施意見》、《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補助資金管理暫行辦法》；財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于實施金太陽示范工程的通知》。《新源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》也將于近期出臺。這一系列的政策措施給中國未來的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)提供了一個廣闊的發(fā)展空間。

圖1 2010-2012 年中國太陽能電池產(chǎn)量預(yù)測

1.2 太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)鏈

光伏電池鋁型材主要用在太陽能光伏電池板上，作為其邊框并起受力支撐作用，產(chǎn)品主要為鋁合金邊框和支架材料，如圖2、3所示。

圖2 太陽能電池板的結(jié)構(gòu)與組成

圖3 部分太陽能電池板鋁型材邊框用產(chǎn)品

1.3 太陽能光伏電池邊框的鋁型材生產(chǎn)的技術(shù)狀況

目前國內(nèi)外光伏太陽能邊框型材雖然只有陽極氧化、著色及電泳二種表面處理方式，但其比建筑鋁合金型材和一般工業(yè)用鋁合金型材具有更高的質(zhì)量要求，具有高尺寸精度、高力學(xué)性能、高耐蝕、高耐磨、高耐侯性以及外觀品質(zhì)等特殊質(zhì)量要求，

中國大陸鋁材制造業(yè)經(jīng)過近20年發(fā)展，已成為全世界鋁材生產(chǎn)供應(yīng)大國，但對太陽能電池配套用鋁型材這一高端產(chǎn)品開發(fā)上才剛剛起步，零缺陷產(chǎn)品外觀，對絕大多數(shù)鋁業(yè)來構(gòu)成的開發(fā)壁壘，部分已開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化單位，后工序表面處理合格率只有70%～75%。本公司在產(chǎn)品開發(fā)后的產(chǎn)業(yè)化過程中進(jìn)行了設(shè)備、技術(shù)、工藝創(chuàng)新，使后工序產(chǎn)品合格率達(dá)高居同行業(yè)榜首，達(dá)95%，實現(xiàn)了質(zhì)量與效益的雙豐收。

2 高品質(zhì)光伏型材規(guī)?；a(chǎn)中的配套技術(shù)

2.1多重凈化技術(shù)及鋁棒的均勻化處理保障了鋁棒的質(zhì)量：

采用的凈化技術(shù)設(shè)施：熔劑覆蓋保護(hù)法、鋁液臺包內(nèi)的熔體凈化(爐前凈化)、固體熔劑凈化法+惰性氣體吸附法、爐外在線精煉法（旋轉(zhuǎn)噴吹凈化法）、陶瓷過濾板過濾法。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，1980年開始對6063合金擠壓型材的鑄錠進(jìn)行均勻化處理，現(xiàn)在已經(jīng)普及，但我國經(jīng)過均勻化處理的還不到鑄錠總量的18％。多數(shù)擠壓廠為了節(jié)省成本，取消了這一步熱處理，從而造成我國大部分高級鋁型材市場被國外產(chǎn)品所占領(lǐng)，只有少數(shù)較大的企業(yè)對其鑄錠進(jìn)行均勻化處理。

為配套此項目， 制訂嚴(yán)格的均勻化工藝及均勻化質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，從而使鋁材質(zhì)量的突出問題---均勻性(一致性)和穩(wěn)定性得以提高。

2.2模具：配套硬、軟件設(shè)施對質(zhì)量的保證：

2.2.1 基于遺傳算法的擠壓模CAE系統(tǒng)引進(jìn)與應(yīng)用，從而優(yōu)化設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，預(yù)測實際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，在擠壓之前修改模具結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)，提高試模通過率，實現(xiàn)“零試模”。

2.2.2 項目配套了5座氣體氮化爐，該技術(shù)大大提高了模具工作帶耐磨性提高、摩擦系數(shù)降低，使模具壽命延長。

2.2.3 項目配套了30座電磁加熱式模具快速加熱爐，其較行業(yè)普通加熱爐的優(yōu)點如下：

1) 使模具加熱到400～450℃由普通爐的2.5～4小時縮短到只需30～40分鐘。

2) 模具裝卸機(jī)械化。輸入編好的程序后，即可機(jī)械化裝爐、加熱到既定溫度、自動選擇所需的模具并運送到擠壓機(jī)旁。

3) 加熱更加均勻。熱風(fēng)均勻地進(jìn)入每個模具所在的加熱腔(板座)，消除了未熱透的冷點，確保了所有模具都得到均勻的加熱。

4) 由于裝卸模具的門很?。疅釟馔庖萘可伲裙?jié)約了能源，又改善了工作環(huán)境。

2-4.項目配套的Romidot以色列勒米特型材斷面尺寸測量系統(tǒng)（斷面掃描儀及軟件系統(tǒng)）。鋁型材斷面全尺寸自動測量系統(tǒng)(斷面掃描儀)是基于軟件和二維光電掃描測量設(shè)備的集成系統(tǒng)，ROMIDOT儀器是基于線性CCD掃描技術(shù)進(jìn)行擠出型材斷面尺寸檢測的自動化檢測儀器，解決了傳統(tǒng)工具對復(fù)雜尺寸不能檢測、檢測精度低和檢測效率低的不足。主要用于鋁型材生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制和靜態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，同時還用于研發(fā)部門的新產(chǎn)品開發(fā)和擠出模具的磨損監(jiān)測。

2.3 擠壓工序

2. 3.1 設(shè)備技術(shù)改造

2.3.1.1鋁棒加熱爐

鋁棒加熱爐是整條鋁型材生產(chǎn)線上的能耗大戶之一，因此降低其能耗的意義重大。鋁棒加熱是型材擠壓的基礎(chǔ)，提高鋁棒加熱質(zhì)量、加熱速度對保證擠壓制品的質(zhì)量意義十分重大。降低能耗，提高成品率，對降低成本的作用非常顯著，對加強(qiáng)一次能源利用率，緩解目前我國電能緊張的現(xiàn)狀有十分重要的意義。

項目在鋁棒加熱爐上進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1) 長棒加熱方式取代傳統(tǒng)的短棒加熱方式，擠壓前依據(jù)所需的長度進(jìn)行切取，從而使工藝廢料降低。

2) 優(yōu)化加熱爐的設(shè)計（包括爐內(nèi)凈長、煙氣加熱噴管技術(shù)規(guī)格、鋁棒輸送輥間距，尺寸及線速度的確定）、加熱爐的熱源設(shè)計、熱工參數(shù)優(yōu)化。

此鋁棒加熱爐加熱的鋁棒表面質(zhì)量好，適用于高精度鋁材的加工．預(yù)加熱時間短，僅為30min～40min；熱效率提高；鋁棒前后溫差由原來的25℃降為5℃。

2.3.1.2 每臺擠壓機(jī)增設(shè)紅外溫度溫控儀。

實現(xiàn)型材出口溫度的在線監(jiān)控，使出口溫度嚴(yán)格控制在520～540℃，從而保證充分固溶。

2.3.1.3 改造風(fēng)冷淬火設(shè)備。

增加風(fēng)冷風(fēng)量；對T66狀態(tài)要求，采用水霧淬火與風(fēng)冷淬火相結(jié)合。通過這些措施，提高了降溫速度，使決定合金力學(xué)性能的強(qiáng)化相得到保留。

2.3.2  時效工藝優(yōu)化

鋁合金型材的時效硬化是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，它與合金元素的組成，擠壓生產(chǎn)工藝的執(zhí)行及時效工藝的選擇都有很大的關(guān)系。目前學(xué)者認(rèn)為：時效硬化的溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。

鋁合金型材在淬火固溶時，合金中形成了空位，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)，這些在過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。

對于化學(xué)成分相同，擠壓工藝相同的鋁合金型材，選擇不同的時效工藝制度，其抗拉強(qiáng)度是有差別的。根據(jù)時效工藝制度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從中可以得出結(jié)論。

1) 經(jīng)175℃、8h熱處理后，鋁合金型材的抗拉強(qiáng)度較高（最高達(dá)到14H以上）。

2) 經(jīng)200℃、2h，180℃、4h，時效溫度較高時，有助于強(qiáng)度峰值的回升，但在隨后的保溫過程中呈下降趨勢。

3) 經(jīng)170℃較低溫度時效時，需要16h才能達(dá)到強(qiáng)度的峰值，最終趨于平穩(wěn)。

以上是時效原理及時效工藝的利弊。下面從時效制度的作用機(jī)理來選擇時效工藝制度。

第一、在時效溫度較高時，由于原子擴(kuò)散容易，組織的固溶處理較快，所以達(dá)到峰值的時候較短，但在后續(xù)熱處理中，隨著時間的延續(xù)，合金組織軟化，出現(xiàn)“過時效”現(xiàn)象，因此，強(qiáng)度指標(biāo)呈下降趨勢。

第二，在時效爐溫度較低時，由于原子能力擴(kuò)散能力限制，固液處理緩慢，雖然隨著保溫時間的加長，材料強(qiáng)度指標(biāo)有回升趨勢，但終因溫度影響，為能達(dá)到理想的處理效果。

針對光伏太陽能鋁合金型材，合金牌號：6060供應(yīng)狀態(tài)T66（水冷淬火+人工時效，力學(xué)性能比T6略高）的要去，決定采用175℃、8h的時效工藝制度。經(jīng)現(xiàn)場多批次抽查，硬度全部合格。

2.4 采用不對稱波電解著色技術(shù)

光伏型材市場需求只有白色和黑色兩種。其中黑色包括“氧化黑色”、“有光電泳黑色”，“透明消光黑色”。由于黑色產(chǎn)品光伏市場需求旺盛，但普通的錫-鎳鹽著黑色著色時間長（氧化膜厚度為15～25um時著色時間長達(dá)20～30min），不僅對陽極氧化膜的性能有所損傷，而且工序處理能力低，不能滿足大批量集中處理的需求，生產(chǎn)效率及交貨的及時性受到制約。不對稱波電解著色技術(shù)改造項目正是基于改善普通錫-鎳鹽著色工藝的不足及填補工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用處于空白狀態(tài)而進(jìn)行的改造項目。

不對波電解著色系統(tǒng)，是可調(diào)不對稱波形電源輸出系統(tǒng)，對著色電源整流系統(tǒng)增加一個同步變壓器，利用控制可控硅的導(dǎo)通角，實現(xiàn)交流輸出波形的正半周與負(fù)半周大小不同，產(chǎn)生不對稱的著色波形輸出，并保證正負(fù)電壓差在0.5-2V可調(diào)，保證著色效率的同時兼顧色彩的表現(xiàn)。

技術(shù)優(yōu)勢：A.該著色方法可在10分鐘內(nèi)著出真黑色，提高了生產(chǎn)效率60%以上，解決行業(yè)生產(chǎn)中對深色系著色效率低的問題。B.實行此項目可豐富公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高公司產(chǎn)品附加值與市場競爭力。

2.5 透明消光電泳型材生產(chǎn)線技術(shù)

透明消光電泳生產(chǎn)工藝環(huán)保，產(chǎn)品具有超強(qiáng)的耐候性能和優(yōu)越的抗酸堿性能，克服了透明有光電泳遮蓋能力差的缺點，具備防止光污染的特質(zhì)，是鋁合金型材加工技術(shù)的新方向。

由于產(chǎn)品質(zhì)量性能卓越，外觀視覺效果柔和，質(zhì)感細(xì)膩，色澤莊重典雅，更加符合國際尖端潮流的審美觀點，產(chǎn)品具有巨大的市場竟?fàn)幜?，市場前景廣闊。

采用關(guān)西涂料的黑色消光電泳產(chǎn)品完全達(dá)到光伏型材的質(zhì)量要求，這不僅拓寬了光伏型材產(chǎn)品種類，同時表面處理合格率達(dá)99%，大大高于有光電泳料。

2.5.1 技術(shù)特點：

以調(diào)整電泳槽液成份及相關(guān)工藝為主，以調(diào)整陽極氧化電解著色膜光澤度為輔，形成獨特的光澤度控制技術(shù)。Gs(60)可低至5～25GU，且可按要求調(diào)節(jié)

免干電泳技術(shù)：本項目研究開發(fā)出免干電泳技術(shù)，避免工件入槽前需保證完全干燥無水這一普通消光電泳的苛刻要求，實現(xiàn)可掛水入槽的方式，從而極大地提高生產(chǎn)效率。

可將固化前的干燥與固化工序融合，縮短干燥時間，采用兩段控溫方式在固化爐內(nèi)干燥與固化既節(jié)約空間，又大大提高規(guī)模化產(chǎn)業(yè)水平的改進(jìn)。

2.5.2 產(chǎn)品性能指標(biāo)：

產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H8602-1992《鋁合金型材陽極氧化電泳復(fù)合膜》的要求。

鉛筆硬度達(dá)到5H以上

附著力達(dá)到100/100

CASS試驗（48h）達(dá)到10級 

耐堿性和耐鹽酸性均達(dá)到10級

2.6 中溫封孔

光伏太陽能鋁合金封孔型材因其氧化膜最低厚度≥15um，還應(yīng)具備抗熱裂性，故選擇中溫封孔工藝。

太陽能鋁型材不同于普通的建筑鋁型材，一個附加的產(chǎn)品要求是每根型材都需要貼復(fù)合膜保護(hù)，并且要求所貼復(fù)合膜既粘合牢固，又要求待復(fù)合膜撕開后太陽能鋁型材表面不存在粘膠現(xiàn)象。對采用中溫封孔工藝的廠家時常是一個頭痛的問題。封孔需要“陳化”，現(xiàn)行的中溫封孔工藝使得廠家不得不采取延長貼膜前的停放時間來緩解粘膠問題，這需要車間有足夠的空間與周轉(zhuǎn)車輛。對電解黑色氧化料脫膠現(xiàn)象更嚴(yán)重。因此開發(fā)新型的中溫封孔才能從根本上解決問題。

通過大量的配方實驗研究，開發(fā)出中溫封孔抑灰劑產(chǎn)品，從而放寬了中溫封孔上限溫度，以強(qiáng)化水合封孔功能來縮短“陳化”時間，新型中溫封孔工藝克服了貼膜脫膠缺陷，使得陽極氧化產(chǎn)品下排后就能及時貼膜包裝、而不會產(chǎn)生脫膠現(xiàn)象。

A．新型中溫封孔工藝

溫度：50℃～60℃

PH值：5.7±0.2

時間：1mm/min,溫度越高，時間越短，封孔質(zhì)量越好。

中溫封孔完畢后，經(jīng)過二道水洗，吊入高溫去離子水槽浸泡10～15min,去離子水溫度75℃，PH值5～7，為后工序覆膜打下基礎(chǔ)。

B.新型中溫封孔的技術(shù)優(yōu)勢

1 * GB3 ①能適應(yīng)增強(qiáng)封孔效果的高溫度要求而無掛灰；

2 * GB3 ②由于封孔后無需“陳化”而封孔質(zhì)量檢測合格，失重試驗在10～18mg/dm2,,優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 * GB3 ③不僅滿足了即時包裝貼膜的需要，而且增強(qiáng)了產(chǎn)品的抗腐蝕性、耐候性。

2.7 T66供應(yīng)狀態(tài)的工藝技術(shù)的開發(fā)

6063與6060合金目前國應(yīng)用的供應(yīng)狀態(tài)只有T5與T6，而太陽能電池框架用鋁型材要求力學(xué)性能更高，部分產(chǎn)品要求T66供應(yīng)狀態(tài)。

而在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，T66供應(yīng)狀態(tài)雖力學(xué)性能要求明確，但處理過程沒有明確說明。T66供應(yīng)狀態(tài)的工藝控制，國外企業(yè)將作為企業(yè)的技術(shù)秘密，國內(nèi)企業(yè)較少采取，工藝控制技術(shù)不成熟。

本公司通過特殊工藝的控制以得到比T6狀態(tài)具有更高力學(xué)性能水平6XXX系合金的T66供應(yīng)狀態(tài)。

2.8 “零缺陷產(chǎn)品外觀” 實現(xiàn)的具體措施

在生產(chǎn)的各工序環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)備、制造工藝的技術(shù)改造，同時在生產(chǎn)流程及產(chǎn)品質(zhì)量上推行精益化生產(chǎn)管理，使外觀缺降率由15%降至3%。具體措施和技術(shù)方案為：

控制工序	主要外觀缺陷類別	措施	技術(shù)方案
模具	色帶、焊合線、條紋	1．優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計 2．工作帶的拋光與氮化	1．基于遺傳算法的擠壓模CAE系統(tǒng)的應(yīng)用。 2．氣體氮化技術(shù)對模具工作帶進(jìn)行氮化。
鑄棒質(zhì)量與擠壓工藝	夾渣、毛刺	熔鑄過程中鋁溶體的凈化。 擠壓工藝	鑄造過程中運用在線除氣裝置。 增加鋁棒壓余厚度（規(guī)范見附表）。 規(guī)范盛錠筒的清缸次數(shù)為每10支棒清一次。 4．規(guī)范鋁棒加熱爐溫度設(shè)定
擠壓車間氧化車間與中轉(zhuǎn)運輸	擦、碰傷	1．精益化生產(chǎn)管理。 2．工裝設(shè)備改善。	1．完成全自動低壓路軌運輸車技術(shù)改造。 2．立式氧化自動上排裝置。 3．下排分料與升降裝置。
表面處理	塵點、顆粒	以立式掛料使型材的表面處于垂立狀態(tài)。	投資立式氧化線用于太陽能電池邊框用鋁型材的生產(chǎn)。

3 總結(jié)

我國以及全世界太陽能光伏電池的快速發(fā)展帶來對高性能鋁型材邊框的巨大需求，太陽能電池邊框用鋁型材的高尺寸精度、高力學(xué)性能、高耐蝕、高耐磨、高耐侯性以及外觀品質(zhì)等質(zhì)量要求，對我國鋁型材制造業(yè)目前來說形成技術(shù)障礙，成品率低下是產(chǎn)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的瓶頸，通過介紹高品質(zhì)光伏型材規(guī)?；a(chǎn)中的配套技術(shù)，為太陽能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵配套材料的國產(chǎn)化、突破該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸提供借鑒。太陽能光伏電池發(fā)展極其迅速，對邊框用鋁型材的需求量每年增長極快，只有解決產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、成品率低下的產(chǎn)業(yè)瓶頸，才能實現(xiàn)了太陽能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵配套材料的國產(chǎn)化。