柔性有机光伏器件卷对卷涂布设备研究

摘要

通过卷对卷工艺制作大面积高效的柔性薄膜光伏器件是近些年来光伏行业的研究方向之一。有机光伏电池(OPV)由于其材料来源广泛并且可以制成液体，频繁地出现在关于薄膜光伏器件制作的研究中。在这些研究当中，卷对卷涂印工艺被多次尝试，但是结果并不理想。主要困难在于光伏器件面积增大时，涂布质量下降，光电转换效率大大下降，使用寿命也不够长。这是由许多因素造成的，缺乏专门针对光伏器件的卷对卷涂印设备就是原因之一。虽然卷对卷工艺由来已久，但是由于工艺不同，传统的卷对卷涂印设备并不能直接用于制作大面积光伏器件，因为涂布的质量无法保证。为此本文深入研究了OPV的工艺要求和工艺流程，在此基础上设计了一台简易的OPV活性层卷对卷涂布设备。主要包括以下内容：　　首先，根据OPV活性层的工艺要求确定了涂层制作方法为狭缝挤压涂布技术。接着建立了涂布过程的数学模型，在此基础上研究了狭缝挤压涂布嘴的设计要点。同时研究了卷对卷涂布工艺的一般构成，并确定了设备的总体方案。　　然后，根据工艺要求确定了设备的运行参数，在此基础上进行了狭缝挤压涂布嘴、涂布平台、收放卷机构、热风干燥箱的结构设计以及设备的整体设计。接着通过计算流体力学(CFD)技术，对涂布嘴流道和热风干燥箱风道的流域进行了仿真分析，确定了保证宽向涂布均匀度的涂布嘴结构尺寸；验证了干燥箱风嘴出口风速和温度的均匀性均满足要求。此外研究了涂布间隔、涂布车速与最小湿膜厚度的关系，发现较小的涂层厚度在涂布车速较高时方能达到。　　其次，建立了卷对卷设备的张力模型，分析了辊子制造和安装误差对张力和速度的影响。根据张力模型，为张力和速度闭环控制分别设计了PID和线性二次型(LQR)控制器，并通过matlab仿真分析了控制器的性能。发现速度控制采用PID控制器，张力控制采用LQR控制器时系统响应情况最好。　　最后，根据设备的控制特点确定了系统的电气方案，进行了器件的选型和电气回路的详细设计，根据控制流程编写了PLC程序和人机交互界面。并搭建了简易的卷对卷实验平台，对PLC程序和人机交互界面的功能进行了验证。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的背景及意义

1.2柔性有机光伏器件制作关键技术

1.2.1柔性有机光伏器件及其工艺

1.2.2柔性有机光伏器件制作关键技术

1.3柔性有机光伏器件工艺设备与关键技术发展现状

1.3.1柔性有机光伏器件工艺设备的发展现状

1.3.2工艺设备中关键技术的发展现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 柔性有机光伏器件涂布原理及设备方案

2.1有机光伏器件活性层材料特性及工艺要求

2.2狭缝挤压涂布原理及数学模型

2.2.1狭缝挤压涂布原理

2.2.2狭缝挤压涂布数学模型

2.2.3涂布嘴结构参数对涂布效果的影响分析

2.3卷对卷涂布工艺的一般构成和设备总体方案

2.3.1卷对卷涂布工艺的一般构成及特点

2.3.2设备的总体方案

2.4本章小结

第3章 柔性有机光伏器件卷对卷涂布设备的设计

3.1卷对卷涂布设备的运行参数

3.2卷对卷涂布设备的具体结构

3.2.1狭缝挤压涂布嘴的设计

3.2.2狭缝挤压涂布平台设计

3.2.3收放卷机构设计

3.2.4热风干燥箱设计

3.2.5机架的设计及各模块的布置

3.3仿真分析

3.3.1狭缝挤压涂布嘴腔体流域的仿真分析

3.3.2热风干燥箱风道流域的仿真分析

3.4本章小结

第4章 卷对卷涂布设备的走卷控制

4.1设备的卷对卷张力模型

4.2制造和安装误差对张力和速度变化的影响

4.2.1辊子的安装误差对张力的影响

4.2.2辊子的偏心距对涂布区间张力的影响

4.3张力和速度控制器设计

4.3.1 PID控制器设计与仿真

4.3.2 LQR控制器设计与仿真

4.4本章小结

第5章 卷对卷涂布设备的电气系统设计

5.1电气系统的组成及器件选型

5.1.1电气系统的总体方案

5.1.2 PLC主机及功能模块的选型

5.1.3其它器件选型

5.2电气回路的设计

5.2.1控制回路

5.2.2张力测量回路

5.2.3卷径测量回路

5.2.4通信线路

5.3器件的设置

5.3.1通信设置

5.3.2工作模式设置

5.3.3称重模块调校

5.4 PLC程序及交互界面设计

5.4.1 PLC程序总体设计

5.4.2交互界面设计

5.4.3 PLC程序主要程序段说明

5.5电气系统的调试

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1研究总结

6.2课题展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的科研成果

附录A：控制回路

附录B：PLC程序梯形图