太阳能制造业机器人技术光明前途

伴随太阳能光伏发电产业的不断升温，机器人供应商终于看到了发展的契机和光明的未来。

Kuka机器人公司的Marioni说：“太阳能光伏市场的迅速升温，对我来说是个莫大的刺激，我想：“哇，这是个多酷的商机啊，不知道其他商家是否也有同样的预感。””果然不出Marioni的料想，各大顶级太阳能制造商为了提高生产率、增加灵活性、降低成本，不约而同的都选择了机器人制造技术，也因而成为了Marioni西部各州的重要客户。Marioni不无骄傲的说：“现如今，我们销售额的大多部分都来自太阳能行业。”

　　没有任何人预想到太阳能行业机器人的需求量能与汽车行业机器人的需要量相抗衡。长久以来，汽车行业一直处于机器人产业发展的核心地位，即便是在当前经济衰退的情况下，汽车行业的机器人订单仍然占有整个机器人产业订单的一半以上。但是，随着太阳能光伏市场的不断成熟和壮大，机器人供应商的注意力无不向光伏行业倾斜。

　　美国加州利弗莫尔市（Livermore）的轻型视觉引导机器人供应商Adept 科技公司（Adept Technology, Inc），专门为太阳能电池晶圆的处理和检测，设计、推出了一款名为Adept Solaris的高速自动化组装生产线。关于机器人技术在太阳能行业的发展，Adept 科技的总裁兼首席执行官John Dulchinos谈到：“预计在未来的两、三年内，我们收入的四分之一到三分之一都将来自太阳能行业。”

　　观望

　　随着太阳能行业的迅猛发展，业界众多有识之士，无不坚信机器人产业也必将迎来发展的春天。美国加州,LAKE FOREST的Fanuc机器人美国公司西部办事处总经理Rush LaSelle就指出：“太阳能行业对机器人技术需求的增长速度着实令人兴奋。而且，其迅猛的增长态势是在医疗、制药等其他众多行业中都难得一见的。”

　　现在，柔性自动化机器人技术的使用已经贯穿于整个太阳能光伏产业的生产制造过程中。从最初的多晶硅铸锭，到晶圆的快速处理，以及到最后的电池板、电池模组的组装，整个工艺流程中无处不见柔性自动化机器人技术的身影。而对于许多刚刚起步的太阳能制造企业来说，机器人供应商不仅可以为其提供优良的生产设备，还可以为其带来丰富的生产实践经验和知识。美国莫托曼（Motoman Inc.）机器人有限公司市场研究部经理Dan Shumaker谈到：“我们已经在众多平板制造领域（例如，TV面板）积累了丰富的实践经验，这对于成功指导太阳能电池板的制造必将是非常有益的。”

　　机器人制造商已经为争夺太阳能市场的做好了充分的准备，每个人都虎视眈眈的盯紧着这块极具发展潜力的大蛋糕。在当前经济低迷和信贷紧缩的大环境下，太阳能产业也免不了受到一些影响，甚至一些太阳能制造企业，在日前还宣布了裁员计划。据行业观察员统计，虽然，太阳能电池安装数量一直呈上升趋势，但最近太阳能行业已经明显出现供大于求的状况，太阳能价格的下行压力加大。但是，不论目前状况如何，多数人仍然对太阳能制造业的长期发展前景持乐观态度。根据位于旧金山的Solarbuzz太阳能研究咨询公司（SunEdison LLC—北美著名的太阳能服务提供商）的统计显示：2007年世界太阳能光伏发电装机容量又创历史新高，达到28亿瓦，比2006年增长了62％。而且据某些行业观察员预计，世界太阳能发电装机容量在2012年将骤升到100到150亿瓦。

　　太阳能产业的发展目标是“电网平价（grid parity）”，即在不需要补贴的前提下，太阳能发电的成本能下降到与传统发电成本相当甚至更低的程度。业界专家认为，想要实现“电网平价”还需要数年的时间。其中，美国前总统布什就曾预计，美国将在2015年实现太阳能的“电网平价”，其他国家也有类似或早或晚的预计。虽然现在暂时未能实现“电网平价”的目标，但是，这并不会减缓太阳能产业扩张和太阳能技术发展的步伐。

　　美国博世力士乐（Bosch Rexroth）公司多晶硅/太阳能行业销售经理Kevin Steele说：“从长远来看，太阳能电网平价的目标必将实现。而一旦实现了“电网平价”的格局，太阳能产业的发展将势不可挡。有鉴于此，越来越多的投资者蜂拥涌入太阳能市场，而且都希望能尽快的赢得更多的市场份额。”

　　太阳能市场的巨大发展，也极大的带动了自动化市场。为了在越演愈烈的竞争中争得一席之地，所有太阳能制造商都不断的追求着成本的降低、规模经济（economy of scale）的实现，独有技术优势的形成。对此，Marion谈到：“许多太阳能制造企业连厂房都未建成，就已经获得了几年的生产订单。也正是这种太阳能产业独特的发展模式，迫使太阳能制造企业不论是厂房建设、自动化投入、还是产品生产都需要争分夺秒。”

　　在政府的慷慨补贴和政策的大力扶持下，德国形成了世界上最发达的太阳能市场，西班牙、日本和美国紧随其后（加利福尼亚州是美国各项太阳能扶持政策的试点州）。现在所有的人都将目光聚焦在美国新任总统奥巴马身上，期望其能在新推出的联邦财政计划中，加大对可替代能源（包括太阳能）技术的投入。

　　ABB机器人有限公司太阳能行业全球销售经理Carsten Busch认为：“据我的了解，对于太阳能发电的利用，美国迟早将成为世界的领头羊。而具体实现的时间很大程度上要取决于政府的政策。” Busch认为2009年太阳能市场的增速将放缓，从前几年的年增长30％—40％，减缓到15％。虽然增势放缓例如，但是，太阳能市场发展的势头依然迅猛。

　　三、四年前，大部分太阳能电池制造企业的年生产能力都只有10—20MW（兆瓦）/年。短短几年时间里，许多太阳能电池制造企业已经由原来的小规模试验、中规模试制，逐渐向大规模批量生产转变，其年生产能力可以达到50—200MW/年。Busch强调说：“如果企业下一步想继续提高产能，则必须加大生产规模、提高生产线上的自动化水平。”

　　提升产能

　　太阳能电池产能的大幅提升，与新技术、新工艺的采用有着非常大的关系。美国Evergreen Solar 公司工艺总监Dan Welch专门阐述了Evergreen Solar 公司的发展历程来佐证此观点。

　　美国Evergreen Solar 公司成立于1994年，其开发了著名的低成本硅片生产技术——String Ribbon技术（由麻省理工学院的学者艾曼纽尔•萨克斯发明），该技术的应用使得太阳能电池生产的产能得到了大幅度的提高。

　　Evergreen Solar曾在Marlboro设立了一个前沿研发中心，多年来，其年生产能力一直维持在15MW/年的水平上。大约四年前，随着新任首席执行官大刀阔斧的改革，新技术、新工艺的不断商业化，太阳能电池的产能再一次得到了大幅的提升。

　　近年，为了发展的需要Evergreen Solar与德国Q-Cells AG和挪威REC（Renewable Energy Corp ASA）两个世界顶级太阳能产品制造商的形成了三方合作关系，共同合资建立了EverQ公司。EverQ合资公司建于德国Thalheim，2006年第一条生产线正是投入使用，可实现晶圆、电池的生产以及电池板的组装，年产量达30MW/年。随后的2007年第二条年产量达60MW/年的生产线投入使用。目前，第三条年产量达80MW/年的生产线也正在建设中，预计今年年内投入使用。

　　而且，与此同时，Evergreen Solar还在美国本土马萨诸塞州的Devens设立了独资工厂。该独资工厂设计产能为160MW，一期工程产能为80MW，预计一季度末实现满负荷生产；二期也为80MW，预计二季度末实现满负荷生产。

　　大多数太阳能制造企业仅仅涉足太阳能电池生产中晶圆生长（wafer growth）、晶片制造和模组封装三大生产环节之一。而Evergreen Solar公司不仅能实现三大环节的全集成制造，还在三大生产环节中全面采用了机器人制造技术。

　　Evergreen Solar公司的资深技工Peter Kane介绍了生产线上机器人技术的使用情况。在整个生产流程中，Evergreen Solar公司选用了的大量标准的商业化工业机器人，以及针对特殊工艺流程的专属机器人。例如；使用专利String Ribbon技术的晶圆生长工艺：首先，用两根高温丝直插于硅熔液中；然后，经过一定时间，熔化的硅在两根丝之间凝固，从而形成80mm（毫米）宽、190微米厚的带状晶圆；当带状晶圆的生长到150mm长时，机器人会依据预先设定的程序，将其切断，并放入运输带中。此操作过程中，选用的就是专属自定义机械手。

柔性制造

　　Kane分别阐述了在太阳能电池制造各个工艺流程中使用机器人的优势。

　　在太阳能晶片制造过程中，需要对晶圆进行一系列的化学处理。而化学处理工艺成败的关键在于是否能实现晶圆在数台设备间的灵活传送。此工艺若没有高速机器人的协助是不可能完成。Welch说：“我们在Devens的工厂年产量为160MW/年，每周晶圆的产量为2百万片。如果生产中我们用人工操作代替机器人，则根本不可能达到现有的产能，也不可能保证生产的连续性。”

　　Welch还说：“如果晶片生产中，真的使用人工处理的方法，那生产情况将不能想象。”极薄的太阳能晶圆非常脆弱，极易损坏。如果真的采用人工方法处理，则破损率将相当的高。选用柔性机器人技术就可以很好的解决这个难题。包括ABB, Adept在内的多家机器人制造商的柔性机器人技术，选用的都是伯努利（Bernoulli）夹钳技术。伯努利夹钳技术依据的是伯努利（Bernoulli）效应，即利用高速气流将晶圆悬浮于夹钳之上，从而形成非接触式的晶圆加工模式。

　　在太阳能电池片制造工艺中，Evergreen Solar大量选用了ABB公司和德国曼兹自动化科技股份有限公司(Manz Automation AG)提供的高速、Delta-style（三角洲风格）的并联机器人，并且，其中使用最多的是ABB的灵手（Flexpickers）机器人。Kane介绍说：“EverQ 和Devens两工厂中，我们使用了将近100个并联机器人。”生产线上，四轴、三臂的并联机器人被架空安装，它们每分钟能处理150片晶圆。而且，在视觉技术的帮助下，系统不仅实现了视觉引导，还同时实现了对产品质量的实时监测。用Kane 的话说就是：“我们可轻松实现了对裂纹、缺口等质量问题的随时检测。”

　　在电池板组装工艺中，Evergreen Solar的Devens工厂大量选用了德国Kuka（库卡）工业机器人；而EverQ工厂则大量选用了德国REIS(莱斯)工业机器人。Kane介绍道：“电池板组装工艺中使用的机器人，多半都是大型、6轴重载机器人。在Devens，我们就有28个6轴机器人。”电池板组装工艺中之所以选择重载机器人是因为通常电池板本身就重达30—35磅，而实际生产中又会受末端效应的影响，重量还要大大增加，因此，电池板组装工艺中必须选用重载型机器人。由于电池板组装生产线的工序复杂，因此，通常会有多款机器人协同工作，如有些机器人用于电池板的封装、固定；有些用于玻璃与电池板的装配，不同目的，使用不同类型的机器人。

　　而且在电池板组装工艺中，Evergreen还充分利用了机器人技术的灵活性，来实现对生产工艺的及时微调。例如：为了适应太阳能电池组件边缘垫圈的变化，需要修改机器人的磁头的时候，只需对机器人程序进行适当调整便可简单实现了。

　　推动发展

　　机器人柔性制造技术对像太阳能等这类刚刚起步、还待完善的新兴产业的发展显得尤为重要。Fanuc的LaSelle解释道：“其实，许多技术、产品在试验、开发阶段看起来都是完美无比。可是一旦将其真正转入大批量生产制造阶段后，问题和缺陷就会不断暴露出来。在这种时候，机器人制造商和资深机器人集成商就成为了企业最有力的帮助者。其中，Fanuc对于太阳能等新能源的大力扶持就是最好的证明。”

　　随着社会的发展，机器人不论是用于取代老旧的生产模式，还是用于新兴产品线的生产使用，都已经逐渐渗透到了工业生产的方方面面。虽然，某些生产任务确实也可以选用不使用机器人，但是，有许多生产任务却只能由机器人来完成，尤其是对速度、灵活性等都要求高的生产任务就更离不开机器人的帮助了。

　　Adept的Dulchinos说：“随着太阳能技术的不断进步，太阳能电池已经被制造的越来越薄，厚度已经从以前的300毫米降至150毫米、甚至更博的程度，而且，由于机器人技术的使用，实现了人工操作时，无法实现的零破损率。”ABB的Busch相当认同这一说法，他谈到：“许多太阳能制造商正在尝试利用我们的灵手（Flexpicker）机器人，将电池厚度降至160mm甚至更薄的程度。”太阳能电池制造业的发展趋势，就是生产过程中使用像灵手（Flexpicker）或Quattro s650（Adept的四臂并联机器人）这样的机器人成为一种必然。

　　太阳能制造商对于机器人的投入通常一年、顶多两年就可以收回成本。Adept的Dulchinos说：“机器人的使用，可以使企业在同等生产规模下，产能翻倍；企业管理费用减半；同时，还可实现劳动力的节约，废品率的降低，产品质量的大幅提高。”