太阳能制造:机器人的光明前景

库卡机器人公司(KUKA Robotics Corp.)美国西部地区销售总监约翰•马里奥尼(John Marioni)在2006年底获得了他的第一个太阳能行业客户。

“这对我来说是一个觉醒，”马里奥尼说。“我想，‘哇，这是一个很酷的客户，我想知道是否还有其他客户。果然，马里奥尼说，当他环顾四周时，他发现太阳能制造商在他的西部多州领土内“左窜右窜”，所有这些都是机器人自动化带来的生产力提高、灵活性和成本降低的主要候选人。如今，在华盛顿州博塞尔工作的马里奥尼说。“太阳能无疑是我大部分(销售)数据的来源。”

没有人预测机器人在太阳能光伏(PV)行业的销量会赶上汽车行业的销量。尽管目前经济低迷，汽车制造商及其供应商仍占机器人行业订单的一半以上。但在过去的几年里，太阳能领域的加速增长无疑吸引了机器人供应商的注意。

例如，去年夏天，位于加州利弗莫尔的轻型视觉引导机器人供应商Adept Technology Inc.推出了一条名为Adept Solaris的集成产品线，专门针对高速太阳能电池晶圆处理和检查市场。爱德普总裁兼首席执行官约翰•杜尔奇诺斯表示:“如果你展望未来两三年，我预计我们四分之一到三分之一的业务将来自太阳能。”

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其他人也同样乐观。“对于机器人来说，太阳能产业绝对令人兴奋。它代表了一个我们在医疗或制药等行业之外很久没有看到的增长曲线，”发那科机器人美国公司西部办事处总经理拉什·拉塞尔(Rush LaSelle)说，该公司位于加州森林湖。

供应商表示，在整个太阳能光伏生产过程中，灵活的机器人自动化机会很多，从前端处理多晶硅锭和砖块，到高速太阳能电池晶圆处理任务，再到后端大型太阳能电池板和模块组装应用。对于许多正在寻求开发其生产流程的太阳能初创企业来说，机器人供应商可以贡献从其他行业获得的宝贵流程知识。总部位于俄亥俄州西卡罗尔顿的机器人供应商Motoman Inc.的市场研究经理丹·舒梅克(Dan Shumaker)指出:“我们在平板制造领域的某些领域有很好的经验，比如电视，以及其他我们处理过平板产品的应用。”

随着机器人制造商加紧竞争太阳能业务，他们正在关注非常快速增长的潜力。可以肯定的是，当前的经济低迷和紧缩的信贷环境给太阳能行业带来了压力，一些太阳能制造商最近宣布裁员。行业观察人士说，尽管太阳能电池板的安装量持续增长，但最近供大于求，这给价格带来了下行压力。但大多数人都同意，太阳能制造业的长期前景似乎是光明的。根据总部位于旧金山的太阳能研究和咨询公司Solarbuzz LLC的数据，2007年世界太阳能光伏市场的安装量达到了创纪录的2.8千兆瓦，比2006年增长了62%。一些行业观察人士预计，到2012年，这一数字将飙升至10至15吉瓦。

目标是“电网平价”，即在没有补贴的情况下，太阳能光伏发电与其他方式发电相等或更便宜。业内专家表示，这一点还需要几年时间才能实现。前总统乔治·w·布什(George W. Bush)将2015年定为美国实现电网平价的日期，尽管其他国家的目标更早。但目前缺乏电网平价并没有减缓太阳能技术开发和生产的热潮。

位于加州普莱森顿的自动化供应商博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)的半导体和太阳能行业部门经理凯文·斯蒂尔(Kevin Steele)说:“从长远来看，很明显太阳能将与其他能源并网，一旦这种情况发生，事情就会真正起飞。所以在这一点上，你会看到大量的投资者进入这个市场，大量的参与者正在努力，尽快获得市场份额。”斯蒂尔说。

随着太阳能制造商努力降低成本，实现规模经济，并证明他们独特的太阳能技术是比下一个供应商更好的解决方案，这助长了自动化的强劲市场。库卡的马里奥尼说:“很多太阳能公司已经拿到了好几年的订单，但他们的工厂还没有建成，所以现在是一场让工厂建成、实现自动化并生产产品的竞赛。”

由于慷慨的政府激励措施，今天最大的太阳能市场是德国，其次是西班牙、日本和美国，其中加利福尼亚州以各种州激励计划领先。现在所有人的目光都集中在美国新总统奥巴马的政府身上，预计奥巴马政府将推出更多旨在促进太阳能等替代能源技术的联邦项目。

“根据我得到的反馈，美国迟早会成为太阳能发电量最大的国家。但是，实现这一目标的时机在很大程度上取决于政府计划，”德国弗里德堡ABB机器人公司太阳能行业全球部门经理卡斯滕·布希(Carsten Busch)说。Busch预计，2009年全球太阳能市场增速将从过去几年的30% - 40%降至15%。但和其他人一样，他看到了一个蓬勃发展的市场。

Busch说，三到四年前，大多数太阳能电池或太阳能电池板制造商的工厂年生产能力为10到20兆瓦。但在过去几年中，许多公司已经采取措施，从小规模、个体或试点生产，逐步发展为每年50兆瓦至200兆瓦的大规模生产能力。“现在的下一步是建立生产千兆瓦的工厂。生产规模越大，需要的自动化程度就越高。”

生产增加

马萨诸塞州万宝路(Marlboro)的Evergreen Solar Inc.就是建造这种坡道的公司之一。该公司成立于1994年，基于麻省理工学院开发的一种专有的、低成本的制造硅片的方法，即弦带技术。多年来，该公司一直在万宝路设有一个试点运营和研发中心。Evergreen工艺工程总监丹•韦尔奇(Dan Welch)表示，该设施每年能够生产约15兆瓦的电力。但大约四年前，随着新首席执行官的上任，该公司开始推动该技术商业化所需的更高产量。

第一步是与德国塔尔海姆的Q-Cells AG和挪威Hovik的可再生能源公司(REC)组建三方合资企业。这家名为everq的合资企业在塔尔海姆建造了一座年产能30兆瓦的太阳能晶圆、电池和制造工厂，于2006年投产。韦尔奇说，2007年，一家60兆瓦的EverQ工厂在塔尔海姆投产，合资企业正在建设第三家80兆瓦的德国工厂，将于今年投产。

与此同时，Evergreen Solar也在马萨诸塞州的德文斯(Devens)新建了一家自己的工厂。韦尔奇说:“该工厂的设计发电量为160兆瓦。”目前，第一个80兆瓦的阶段正在加速，计划在第一季度末全面投产。他补充说，第二个80兆瓦阶段将在第二季度末全面投入运营。

许多太阳能产业制造商只从事太阳能光伏生产的三个主要组成部分中的一个——晶圆生长、太阳能电池制造或组件组装——而evergreen是一家集三者于一体的综合性生产商。该公司在这三个生产领域都依赖机器人。

在专有的带状晶圆生长工艺中，两根高温细丝连续垂直地穿过硅熔体。长荣公司高级技术人员彼得·凯恩说，在这个过程中，熔融硅在细丝之间跨越并凝固，形成宽约80毫米、厚约190微米的带状晶圆。当晶圆带被拉进所谓的“飞盒”时，一个机器人抓住边缘，剪下150毫米长的晶圆片，并将其放入载体中。凯恩说，这种操作依赖于为这项任务设计的定制机器人操纵器。但对于其他生产操作，长荣公司严重依赖标准的商业工业机器人。

是温柔的

在太阳能电池生产领域，晶圆要经历一系列的化学处理步骤，需要将晶圆从传送带移进和移出多台机器。韦尔奇说，这是一项没有高速机器人就无法完成的任务。他指出:“为了在德文斯年产160兆瓦，我们每周要运行200万片晶圆，所以如果我们试图用手工或人工来完成，我们永远无法获得所需的产量和一致性。”

Kane补充道:“如果有人来处理我们的晶圆，我们的产量将会非常可怕。”他解释说，因为薄如剃刀的太阳能晶片很脆，非常脆弱，人类操作员无法在不高破损率的情况下操作它们。这个问题可以通过设计成温柔的机器人来避免。包括ABB、Adept等公司在内的供应商使用的一种方法是使用伯努利夹持器。基于伯努利效应，这些夹具依靠高速气流来确保晶圆片在没有接触的情况下被轻轻地抬起。

凯恩表示，在太阳能电池晶圆处理领域，长青太阳能依靠的是高速德尔塔式并联机器人，主要是由ABB或德国机器人集成商Manz Automation提供的ABB Flexpickers。他指出:“从EverQ到Devens，我们几乎有100个并行机器人投入生产。”四轴三臂并联机器人安装在头顶上，每分钟可以处理150多个采摘。集成视觉技术不仅为拣片机器人提供指导，也为质量检测提供指导。Kane说道:“我们寻找破裂的细胞或边缘缺陷之类的东西。

在太阳能电池板生产领域，长荣在德文斯工厂使用的是库卡机器人，在EverQ工厂使用的是总部位于奥本堡的德国供应商Reis机器人。“它们大多是大型六轴机器人，用于处理相当大的有效载荷。面板通常重达30或35磅，末端执行器的重量可能远远超过这个，”凯恩说。“我们在德文斯大约有28个六轴机器人。”使用各种机器人模型，一些在龙门上进行轴向运动，其他固定的，用于许多玻璃处理和面板组装应用。

特别是在面板生产领域，长荣发现机器人的灵活性在其生产过程的微调中是有用的。例如，在一个例子中，修改一个机器人上的磁带头，将边缘垫片应用到太阳能模块上，需要相应的运动改变——这个任务通过简单地重新编程机器人就变得容易了，凯恩说。

帮助我

事实上，正如发那科的LaSelle所指出的那样，机器人的灵活性在太阳能等新兴行业尤为重要，因为许多制造商都是初创企业，仍在完善自己的工艺。“这个领域有很多人都有自己的产品，从物理学和实验室的角度来看，这真是太棒了。但从制造的角度来看，它需要改进，”LaSelle说。他指出，这正是机器人制造商和经验丰富的机器人集成商可以提供帮助的地方。LaSelle说，发那科与太阳能产业初创企业Energy Innovations的合作就是一个很好的例子“机器人使模块可制造，”）.

机器人制造商表示，在今天的许多情况下，新安装的机器人要么取代了以前手工完成的工作，要么被设计成新的绿地工厂运营。固定自动化是一些任务的替代方案，但供应商认为，由于需要速度、灵活性和其他因素，许多工作只能由机器人完成。

例如，随着太阳能技术的进步，太阳能电池正变得越来越薄——从大约300微米到150微米或更薄——这使得人类不可能在不严重损坏的情况下处理它们，爱德普公司的Dulchinos说。ABB的Busch对此表示赞同。Busch说:“有些公司正在测试我们的Flexpicker的厚度，直到160微米，甚至更薄。”这些人说，这种趋势将使Flexpicker和Adept公司的四臂平行机器人Quattro s650等机器人的使用成为必要。

爱德普公司的Dulchinos说，太阳能行业用户从机器人身上获得的回报通常可以在一年内实现，而且肯定可以在两年内实现。“如果你能在同样数量的工厂空间内实现两倍的吞吐量，你就能将管理费用削减一半，因为他们的产量是原来的两倍。因此，使用机器人的理由是，你可以大大提高工厂的产量。”“这样可以节省劳动力，降低废品，提高质量。”