Quelles machines sont utilisées pour fabriquer des panneaux solaires ?

Entrez dans une usine de panneaux solaires et vous ne verrez pas une seule machine géante transformant les matières premières en panneaux finis. Ce que vous voyez en réalité est une ligne de production connectée, chaque machine gérant une partie spécifique du travail : découper les cellules, les souder en chaînes, disposer les chaînes, laminer le module, installer le cadre et enfin tester le panneau fini.

Cela semble assez simple sur le papier. En production réelle, chaque processus affecte le suivant. Une petite erreur de positionnement lors du layup peut devenir une bulle ou un défaut d'alignement après la lamination. Une mauvaise soudure peut sembler correcte à l'œil nu mais apparaître comme une zone sombre lors de l'inspection EL.

C'est pourquoi une bonne ligne de production de panneaux solaires doit fonctionner comme un système équilibré, plutôt que comme une collection aléatoire de machines.

Avant d'examiner l'équipement, il y a une distinction importante.

Cet article concerne une ligne de production de modules solaires—une usine qui achète des cellules solaires finies et les assemble en panneaux solaires. La fabrication de cellules solaires à partir de plaquettes de silicium est un processus différent impliquant des équipements chimiques humides, des fours de diffusion, des systèmes PECVD ou ALD, des imprimantes sérigraphiques, des fours de cuisson et d'autres machines spécialisées.

Alors, quelles machines sont utilisées pour fabriquer un panneau solaire fini ?

1. Testeur de cellules solaires et machine de tri

Les cellules solaires du même lot de production ne sont pas toujours électriquement identiques. Leur courant, tension et puissance maximale peuvent varier légèrement. Si des cellules avec des caractéristiques électriques significativement différentes sont connectées dans la même chaîne, la cellule la moins performante peut limiter la sortie de toute la chaîne.

Un testeur de cellules solaires mesure des paramètres tels que :

• Tension en circuit ouvert

• Courant de court-circuit

• Puissance maximale

• Efficacité de la cellule

• Caractéristiques de la courbe I-V

Le système de tri regroupe ensuite les cellules ayant des performances similaires.

Certaines lignes de production utilisent également l'inspection optique automatique ou l'inspection EL au niveau des cellules pour identifier les éclats de bord, les microfissures, la contamination et les zones électriquement inactives avant que les cellules n'entrent dans le processus de mise en série.

Cela peut sembler une petite étape, mais un tri précis aide à réduire les désadaptations électriques et améliore la cohérence des modules finis.

2. Machine de découpe laser de cellules solaires

La plupart des modules solaires modernes utilisent des cellules demi-coupées. Les modules en tuiles (shingled) et autres conceptions spéciales peuvent utiliser des sections de cellules encore plus petites. Dans ces cas, les cellules solaires pleine taille doivent être divisées avant la mise en série.

Une machine de découpe laser de cellules solaires grave et sépare les cellules avec une haute précision. Selon la conception du module, elle peut couper les cellules en moitiés, tiers ou morceaux plus petits.

Deux méthodes de découpe courantes sont utilisées :

• Gravure laser conventionnelle suivie d'une rupture mécanique

• Découpe laser non destructive conçue pour réduire les contraintes mécaniques et thermiques

La découpe non destructive devient de plus en plus importante à mesure que les cellules deviennent plus fines et plus grandes. Les microfissures créées pendant la découpe peuvent se propager lors de la mise en série, de la stratification, du transport ou de l'exploitation à long terme en extérieur.

Si une usine ne produit que des modules à cellules pleines, une machine de découpe laser peut ne pas être nécessaire. Pour la production de modules demi-cellules et en tuiles, cependant, elle est un élément central de la ligne.

3. Machine de soudage et de mise en série (Tabber Stringer)

La machine de soudage et de mise en série est souvent considérée comme le cœur d'une ligne de production de panneaux solaires.

Sa fonction principale est de souder le ruban photovoltaïque sur les cellules individuelles et de connecter les cellules en série pour former des chaînes de cellules. Les machines modernes combinent généralement le soudage des rubans et la mise en série en un seul processus automatique.

Une machine de soudage et de mise en série gère normalement :

• Chargement et séparation des cellules

• Positionnement des cellules

• Alimentation en ruban

• Application de flux

• Soudure

• Alignement des chaînes

• Coupe et décharge des chaînes

• Inspection par vision

La méthode de mise en série correcte dépend de la technologie des cellules.

Les cellules PERC et TOPCon peuvent généralement être traitées avec des stringers conventionnels à multi-barres. Les cellules HJT peuvent nécessiter un soudage à plus basse température car elles sont plus sensibles à la chaleur. Les cellules BC, IBC, ABC et HPBC nécessitent un équipement de soudage spécialisé pour contacts arrière, car leurs contacts positifs et négatifs sont tous deux situés sur la face arrière.

Le choix du stringer doit donc être basé sur la taille des cellules, la conception des barres, le type de ruban, la température de soudage et la structure du module—pas seulement sur le nombre de cellules par heure annoncé.

4. Inspection EL en ligne des strings

L'inspection EL des strings est généralement une fonction optionnelle intégrée au stringer, plutôt qu'une machine complètement séparée.

En pratique, la plupart des fabricants choisissent cette option, surtout lors de la production de modules avec des cellules TOPCon, HJT ou BC. Avec ces technologies de cellules, les joints de soudure faibles, les fissures cachées et les zones électriquement inactives peuvent être difficiles à identifier par une inspection visuelle ordinaire.

L'inspection EL en ligne vérifie le string immédiatement après le soudage. Un courant est appliqué aux cellules connectées, et une caméra sensible à l'infrarouge capture l'image d'électroluminescence. Les fissures, les zones déconnectées et les mauvaises connexions électriques apparaissent comme des régions sombres anormales.

Cela permet de retirer les strings défectueux avant l'empilement et la stratification, lorsque la réparation ou le remplacement est encore relativement facile.

Un testeur EL de strings hors ligne peut encore être utilisé pour l'échantillonnage, la réinspection ou l'analyse en laboratoire, mais il n'est normalement pas requis comme poste de production séparé lorsque le stringer inclut déjà l'inspection EL en ligne.

5. Équipement de chargement et d'inspection du verre solaire

Le verre solaire fourni aux usines de modules modernes est normalement lavé et préparé par le fabricant de verre. Pour cette raison, une machine de lavage de verre dédiée n'est généralement pas requise dans une ligne de production de panneaux solaires standard.

Un chargeur de verre automatique place le verre préparé sur le convoyeur. Avant que l'EVA ou le POE ne soit posé, le verre est vérifié pour :

• Poussière et contamination de surface

• Rayures

• Dommages sur les bords

• Éclats de verre

• Défauts de revêtement

• Dimensions incorrectes

Le verre avant constitue la base de l'empilement du module, sa position doit donc rester stable pendant les processus suivants de pose des matériaux et de disposition des cellules.

6. Machines de découpe et de pose d'EVA, de POE et de feuilles arrière

Avant la pose, l'encapsulant et les matériaux de la couche arrière doivent être découpés aux dimensions correctes du module.

Une machine automatique de découpe et de pose peut préparer des matériaux tels que :

• Film EVA

• Film POE

• TPT ou autres feuilles arrière

• Bandes isolantes

• Matériaux d'isolation des barres omnibus

Après la découpe, la machine pose automatiquement l'encapsulant sur le verre.

Pour les modules verre-verre, la feuille arrière en polymère est remplacée par une deuxième pièce de verre. La configuration de la ligne, la lamineuse et l'équipement de manutention doivent donc être conçus pour le poids supplémentaire et la structure différente du module.

Les petites usines peuvent découper l'EVA et les feuilles arrière manuellement. La découpe et la pose automatiques deviennent plus précieuses à mesure que la capacité de production augmente, car elles améliorent la cohérence dimensionnelle et réduisent le gaspillage de matériaux.

7. Machine de pose automatique

La machine de pose automatique prend les chaînes de cellules terminées et les positionne sur le verre et l'encapsulant.

C'est un processus de précision. L'espacement des chaînes, l'alignement des cellules et la distance entre les cellules et les bords du verre doivent rester dans les tolérances spécifiées.

Un mauvais alignement est facile à remarquer sur un panneau fini, mais l'apparence n'est pas la seule préoccupation. Des positions de chaînes incorrectes peuvent également affecter l'encapsulation, l'étanchéité des bords et la fiabilité à long terme du module.

Une machine de pose automatique utilise normalement :

• Robots industriels ou systèmes à portique

• Pinces à vide

• Caméras de vision

• Correction automatique de position

• Contrôles de l'espacement des chaînes

• Détection de la position du verre

Certaines lignes de production utilisent une machine de pose séparée. D'autres combinent le positionnement des chaînes, la pose et le câblage dans une unité intégrée.

8. Machine de busage

Après le positionnement des cordons, ils doivent être connectés électriquement avec un ruban de busage.

Une machine de busage automatique soude ou brase les bornes des cordons selon la conception électrique du module. Elle peut également plier, couper et positionner automatiquement les rubans de busage.

Les modules demi-cellules nécessitent une attention particulière car leurs sections de cellules supérieure et inférieure sont généralement connectées en parallèle. Le point de sortie est normalement situé près du milieu du panneau au lieu du haut.

Le processus de busage doit contrôler :

• Position du ruban de busage

• Température de soudure ou de brasage

• Résistance des joints

• Forme du ruban

• Espacement des cordons

• Position du ruban de sortie

Une connexion de busage faible peut entraîner une perte de puissance, un échauffement local excessif ou une défaillance complète du circuit.

Sur une petite ligne semi-automatique, le busage peut être effectué manuellement avec des outils de soudure et des gabarits de positionnement. Les usines à plus grande capacité utilisent généralement des machines de busage automatiques pour une meilleure constance et un meilleur débit.

9. Testeur EL avant laminage et inspection visuelle

Avant le laminage, le module assemblé doit passer une inspection visuelle et un test EL.

C'est la dernière occasion pratique de réparer de nombreux défauts de production. Les opérateurs ou les systèmes d'inspection automatique vérifient des problèmes tels que :

• Cellules fissurées

• Cordons désalignés

• Rubans manquants

• Mauvaises connexions de busage

• Positions de sortie incorrectes

• Contamination à l'intérieur du module

• Encapsulant froissé ou déplacé

• Placement incorrect de la feuille arrière

Le testeur EL avant laminage vérifie l'état électrique du circuit complet des cellules avant qu'il ne soit scellé de manière permanente.

Le laminage est effectivement irréversible. Si un défaut est trouvé après le laminage, le coût de réparation est beaucoup plus élevé, et dans de nombreux cas, le module entier doit être mis au rebut.

10. Lamineuse de panneaux solaires

La lamineuse scelle le verre, l'encapsulant, les cellules solaires et la feuille arrière—ou le verre arrière—en une structure durable.

À l'intérieur de la lamineuse, le vide élimine l'air piégé dans le stack du module. La chaleur et la pression durcissent ensuite l'EVA ou le POE, liant toutes les couches ensemble.

La recette de lamination dépend de :

• Type d'encapsulant

• Taille du module

• Épaisseur du verre

• Structure verre-backsheet ou verre-verre

• Technologie des cellules

• Exigences du fournisseur de matériaux

Un cycle de lamination typique peut prendre environ 10 à 20 minutes, bien que le temps réel varie selon les matériaux et l'équipement.

La lamineuse est souvent le processus majeur le plus lent de la ligne de production. Une usine peut donc avoir besoin de plusieurs lamineuses fonctionnant en parallèle.

C'est un point important lors du calcul de la capacité de production. Installer des stringers plus rapides n'augmentera pas la sortie finale du module si la section de lamination ne peut pas traiter les panneaux au même rythme.

La qualité de la lamination affecte directement l'adhérence, l'isolation électrique, la résistance à l'humidité et la durée de vie prévue du module.

11. Équipement de découpe et d'inspection post-lamination

Après la lamination, l'excès d'EVA, de POE ou de backsheet reste autour des bords du module. Ce matériau doit être retiré avant l'encadrement.

Sur une petite ligne, les opérateurs peuvent couper les bords manuellement. Une ligne automatique à haute capacité utilise normalement une machine de découpe des bords.

Le module laminé est également inspecté pour :

• Bulles d'air

• Délaminage

• Débordement d'encapsulant

• Rayures

• Dommage au verre

• Mouvement des cellules

• Déplacement des strings

• Contamination à l'intérieur du laminé

Les unités de retournement automatiques facilitent l'inspection des deux côtés du module sans dépendre du levage manuel.

12. Machine de collage du cadre et d'encadrement

La plupart des panneaux solaires conventionnels utilisent un cadre en aluminium pour protéger les bords du verre et fournir un support mécanique pendant le transport et l'installation.

La section de cadrage peut inclure :

• Machine automatique de collage de cadres

• Système de chargement de cadres en aluminium

• Équipement d'insertion de clés d'angle

• Machine d'assemblage de cadres

• Machine de cadrage pneumatique ou hydraulique

• Équipement de poinçonnage de cadres

Le mastic est appliqué à l'intérieur des profilés en aluminium avant que les quatre sections du cadre ne soient pressées autour du module laminé.

Le cadre fini doit être carré, sécurisé et correctement scellé. Les défauts de cadrage courants incluent des coins lâches, un mastic insuffisant, un mastic excessif, des rayures et des dimensions de cadre incorrectes.

Les modules verre-verre sans cadre peuvent ne pas nécessiter ce processus, selon la conception du produit.

13. Machines d'installation de boîtes de jonction

La boîte de jonction collecte la sortie électrique du circuit de cellules et fournit la connexion entre le module et le système photovoltaïque externe.

Le processus de boîte de jonction peut inclure :

• Positionnement de la boîte de jonction

• Distribution de silicone ou d'adhésif

• Soudure des rubans de sortie

• Soudage automatique des bornes

• Remplissage de colle AB

• Enrobage

• Inspection des câbles et connecteurs

Une machine de soudage de boîte de jonction connecte les rubans de sortie du module aux bornes de la boîte de jonction. Une machine de distribution ou d'enrobage applique ensuite un mastic ou un matériau de remplissage pour protéger les connexions électriques contre l'humidité, le mouvement et la corrosion.

L'adhésif et le matériau d'enrobage doivent recevoir un temps de durcissement suffisant avant les tests finaux et l'emballage.

14. Testeur EL final

Un deuxième test EL est normalement effectué après le laminage ou l'assemblage final du module.

Ce test est nécessaire car de nouvelles microfissures peuvent être introduites lors du laminage, de l'ébavurage, de l'encadrement ou de la manipulation des matériaux.

L'image EL finale peut révéler :

• Microfissures de cellules

• Cellules cassées

• Doigts déconnectés

• Mauvaises soudures

• Barres omnibus cassées

• Zones électriquement inactives

• Interruptions de chaîne

Un logiciel d'analyse d'image automatique peut aider à classer les défauts, mais le fabricant a toujours besoin de normes d'acceptation claires. Le système doit définir quels défauts sont acceptables, lesquels nécessitent une reprise et lesquels entraînent un rejet.

15. Simulateur solaire et testeur I-V

Le simulateur solaire, également connu sous le nom de testeur flash ou testeur I-V, mesure les performances électriques du panneau solaire fini sous un éclairage contrôlé.

Le testeur enregistre des paramètres, notamment :

• Puissance maximale

• Tension en circuit ouvert

• Courant de court-circuit

• Tension de fonctionnement

• Courant de fonctionnement

• Facteur de remplissage

• Efficacité du module

• Courbe I-V complète

La puissance mesurée est utilisée pour classer le panneau et générer sa plaque signalétique ou son étiquette de production.

Le simulateur solaire doit avoir une correspondance spectrale, une uniformité de lumière et une stabilité appropriées. Sa vitesse de test doit également correspondre à la capacité de production du reste de la ligne. Sinon, les panneaux finis commenceront à s'accumuler devant le poste de test.

16. Équipement de test de sécurité

La sortie électrique n'est qu'une partie du contrôle qualité final. Le panneau doit également être électriquement sûr.

L'équipement de test de sécurité courant comprend :

• Testeur de rigidité diélectrique

• Testeur de résistance d'isolement

• Testeur de continuité de terre

• Testeur de courant de fuite

Le test hi-pot applique une haute tension entre le circuit électrique interne et le cadre du module pour vérifier l'intégrité de l'isolation.

Le test de continuité de terre mesure la connexion électrique entre le cadre en aluminium et ses points de mise à la terre. Le test d'isolation vérifie si le module peut fonctionner en toute sécurité sans chemins de fuite dangereux.

Ce sont des tests de production essentiels, pas des contrôles de qualité facultatifs.

17. Ligne d'étiquetage, de tri et d'emballage

Après que le panneau a réussi les inspections électriques, de sécurité, EL et visuelles, l'usine imprime son étiquette produit et enregistre les résultats des tests finaux.

Chaque module reçoit normalement un numéro de série unique. Sur une ligne automatique, ce numéro peut être connecté à un système MES ou de traçabilité.

L'usine peut alors retracer un module fini jusqu'à des informations telles que :

• Lot de cellules solaires

• Données de production de la stringer

• Images EL

• Poste de layup

• Recette du laminateur

• Poste d'encadrement

• Résultat du test I-V

• Résultat du test de sécurité

• Date de production et équipe

Les modules finis sont triés par classe de puissance, empilés avec des matériaux de protection et emballés pour le transport.

L'emballage peut sembler un processus simple, mais un empilage incorrect ou une protection insuffisante peut endommager de bons modules avant qu'ils n'atteignent le site du projet.

Semi-automatique ou entièrement automatique ?

Une usine de panneaux solaires n'a pas toujours besoin d'une automatisation complète.

Les lignes semi-automatiques conviennent souvent aux projets pilotes, aux fabricants régionaux et aux usines avec une capacité prévue plus faible. Les opérateurs peuvent gérer manuellement le busage, la préparation des matériaux, le rognage, l'installation de la boîte de jonction et l'inspection visuelle.

Les lignes entièrement automatiques ajoutent la manipulation robotisée, les convoyeurs automatiques, les systèmes d'inspection intégrés, les tampons de production et la traçabilité des données. Elles offrent un débit plus élevé et un contrôle de processus plus cohérent, mais elles exigent également une capacité de maintenance plus solide et une meilleure gestion de la production.

Le niveau d'automatisation correct dépend de :

• Capacité annuelle prévue

• Conception du module

• Technologie des cellules

• Investissement disponible

• Conditions de main-d'œuvre locales

• Exigences de qualité du produit

• Plans d'expansion futurs

Ne choisissez pas chaque machine séparément

La plus grande machine n'est pas toujours la plus importante, et la machine la plus rapide ne crée pas automatiquement la ligne de production la plus rapide.

La capacité doit être équilibrée entre la découpe des cellules, le stringer, l'empilement, le busage, le laminage, l'encadrement, l'installation de la boîte de jonction et les tests finaux.

L'usine a également besoin de systèmes de support tels que :

• Convoyeurs automatiques

• Tampons de production

• Compresseurs d'air

• Systèmes de vide

• Refroidisseurs

• Stockage des matériaux

• Logiciel MES et de traçabilité

• Espace de maintenance

• Zones de contrôle qualité

La conception du module doit être confirmée avant de sélectionner l'équipement. Une ligne conçue pour les modules conventionnels PERC à cellules complètes peut ne pas convenir aux demi-cellules TOPCon de grand format, aux modules HJT, aux cellules BC ou aux panneaux verre-verre lourds sans changer plusieurs machines.

Un plan d'usine réaliste doit donc commencer par la spécification du module cible et la capacité de production annuelle. La liste finale des machines vient après cela.

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