Modul-Fertigung

Motion Control ist auf Solartechnik-Belange zugeschnitten

25.06.2008 | Redakteur: Reinhard Kluger

Für die hochgenaue Positionierung bei Material schonenden Bewegungsprofilen sorgt die auf Halbleiter- und solartechnische Anwendungen optimierte Rexroth NYCe 4000.
Für die hochgenaue Positionierung bei Material schonenden Bewegungsprofilen sorgt die auf Halbleiter- und solartechnische Anwendungen optimierte Rexroth NYCe 4000.

Weil die empfindlichen Halbleiterschichten moderner Solarmodule nur Bruchteile eines Millimeters dünn sind, erfordert die Produktion extrem präzise und vibrationsfreie Anlagen. Wegen des hohen Innovationsgrads der Branche erweisen sich rekonfigurierbare Lösungen als sehr wirtschaftlich.

Steigende Preise für fossile Energieträger und staatliche Beihilfen für die Kunden haben der deutschen Photovoltaik-Industrie einen kräftigen Boom beschert. Von 2001 bis 2007 schnellte der Jahresumsatz der Anbieter von 348 auf 5460 Mio.€. Die jährlich mit Sonnenenergie produzierte Strommenge wuchs nach Angaben des Bundesverbands Solarwirtschaft im gleichen Zeitraum von 76 auf gut 3000 Gigawattstunden. Ende 2007 waren in Deutschland rund 430.000 Solarstromanlagen in Betrieb.

Überwiegend Siliziumtechnik im Einsatz

Um das rasante Wachstum beizubehalten, müssen die Hersteller zwei Herausforderungen meistern: Erstens wird intensiv geforscht, welche Technologie das beste Verhältnis von Energieausbeute pro Fläche und Produktionskosten bietet. 90 % aller Solarmodule basieren auf der klassischen Silizium-Technik. Hauchdünne Scheiben (Wafer) des Halbleiters wandeln die Energie der Photonen in elektrische Energie um. Die Schicht misst zwar nur zwischen 180 und 300 Mikrometer, muss aber aufwendig aus einem Siliziumblock herausgeschnitten werden. Dessen Herstellung ist kompliziert und verbraucht sehr viel Energie. Um den Materialverbrauch pro Panel zu senken, werden immer größere und flachere Wafer verwendet. Das macht jedoch die Verarbeitung der spröden Siliziumkristalle sehr kompliziert.

Eine Alternative sind Dünnschichtmodule, bei denen eine rund 100 Mal dünnere Halbleiterschicht auf ein Trägermaterial aufgedampft wird. Die Hersteller experimentieren mit den verschiedensten Materialien wie Gallium, Kupfer und Indium. So genannte organische Solarzellen verwenden ebenfalls keine Siliziumkristalle, sondern Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit halbleitenden Eigenschaften. Ihr Wirkungsgrad liegt unter dem metallischer Halbleiter, dafür sind Herstellung und Verarbeitung einfacher. Da diese Technik noch nicht komplett marktreif ist, wird sich noch zeigen müssen, welcher Ansatz die beste Kombination bietet aus Energieeinsatz, Schadstoffemission bei der Produktion, Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit.

Senkung der Produktionskosten

Die zweite große Herausforderung sind Wettbewerbsvorteile durch effiziente und preisgünstige Produktionsmethoden. Sie tragen entscheidend dazu bei, ob Photovoltaik-Module zu einem attraktiven Preis und in genügender Menge hergestellt werden können. Das Prozess-Know-how entscheidet, ob immer dünnere und damit sensiblere Halbleiterschichten verarbeitet werden können. Kleinste Erschütterungen beim Transport, beim Schneiden oder dem Anbringen der Kabel können zu leistungsmindernden Mikrorissen oder dem Totalausfall von Zellen führen. Außerdem sinken durch effiziente Massenfertigung die Produktionskosten.

Eine Branche mit hohem Innovationsgrad

Die Automatisierung von Produktionslinien ist wegen des hohen Innovationsgrads und Wachstums der Branche schwierig. Anlagen können selten über Jahre hinweg auf demselben technischen Stand arbeiten. Die eingesetzten Transport- und Handlingsysteme müssen deshalb so flexibel sein, dass Arbeitsstationen ergänzt oder ausgetauscht werden können, ohne Kompromisse bei der schnellen und schonenden Handhabung der Zellen und Panele zu machen. Auch wenn die Produktionskapazitäten erweitert werden müssen, sind flexible und weltweit rasch verfügbare Lösungen gegenüber Sonderanfertigungen im Vorteil.

Der typische Produktionsprozess von konventionellen Photovoltaik-Modulen mit Silizium-Zellen besteht aus folgenden Schritten:

  • Waferproduktion
  • Zellproduktion
  • Stringing
  • Reinigen des Glassubstrats
  • Lötprozess
  • Laminieren
  • Rahmen
  • Qualitätskontrolle.

Weil die Herstellung von Solarmodulen die Koordination vieler Bearbeitungsschritte erfordert, entscheidet ein schneller, automatisierbarer und materialschonender Arbeitsprozess über die Produktqualität und die Produktionsmenge. Jeder Verarbeitungsschritt stellt andere Anforderungen an die Technik, so dass die gezielte Kombination verschiedenster Verfahren notwendig ist. Als Anbieter aller relevanten Technologien zum Antreiben und Steuern besitzt Rexroth das notwendige Technologie-übergreifende Know-how, um die passende Antwort auf die vielfältigen Herausforderungen bei der Produktion von Photovoltaik-Anlagen zu geben.

Sanfter Transport der Panele

Das Rexroth-Transfersystem TSsolar befördert sicher und sauber die hochempfindlichen Photovoltaikmodule.
Das Rexroth-Transfersystem TSsolar befördert sicher und sauber die hochempfindlichen Photovoltaikmodule.

Ein wichtiger Aspekt ist beispielsweise der Materialtransport zwischen den Bearbeitungsstationen. Die großen und empfindlichen Glaspanele, die sich nicht durchbiegen dürfen, müssen erschütterungsfrei bewegt werden. Mit TSsolar hat Rexroth deshalb ein Transfersystem entwickelt, das den hohen Anforderungen gerecht wird und sich flexibel auf die verschiedensten Anforderungen einstellt.

TSsolar unterstützt den schonenden Materialfluss von Solarpanelen in beliebiger Breite durch den Einsatz von speziellen, textilbeschichteten Zahnriemen, die in mehreren, parallelen Spuren angeordnet sind. Lange Förderstrecken werden in kürzere Segmente unterteilt, die jeweils über eigene Antriebe verfügen. Frequenzumrichter sorgen für das feinfühlige Abbremsen und Beschleunigen und stoppen die Werkstücke sanft an den Bearbeitungspositionen oder wenn das folgende Streckensegment noch durch ein anderes Modul belegt ist. Die Aufteilung in intelligente Arbeitsblöcke erlaubt einen sicheren, kontinuierlichen Arbeitsablauf. Spezialmodule wie die Hub-Quereinheit erledigen das behutsame Umsetzen der Module von Längs- auf Querstrecken.

Die vormontierten und einbaufertigen Förderstrecken können ohne großen Aufwand neu konfiguriert und zusätzlich mit den Modulen des Manuellen Produktionssystems und des Aluminium-Profilbaukastens von Rexroth kombiniert werden. Damit gibt es keine Probleme, wenn Anlagen später erweitert oder umgebaut werden sollen. Das schützt die Investitionen und erhöht die Wirtschaftlichkeit.

Sicher in jeder Situation

Unverschlossene Glaspanele sind während der Produktion äußerst empfindlich gegen Verschmutzung. Alle Komponenten von TSsolar sind deshalb reinraumtauglich gemäß Klasse 6 nach EN ISO 14644-1. Zum Schutz trägt auch das ESD-fähige Design gegen statische Aufladung bei.

Um bis zu 200°C heiße Glasplatten zu bewegen, die bei der Fertigung von Dünnschichtmodulen auftreten, steht ein hochtemperaturfester Solarförderer zur Verfügung. Speziell für die Waferfertigung bietet Rexroth außerdem ein Transportsystem für Reinraum- und Vakuumanwendungen an, das Werkstückträger wie bei einer Magnetschwebebahn berührungslos bewegt. Die gesamte Elektronik liegt außerhalb des Verarbeitungsbereichs und muss nicht gekapselt werden. Das Linear Motion System von Rexroth hat sich bereits in der Praxis als hochpräziser Antrieb für PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) Prozesse unter Vakuumbedingungen bei Solarzellen-Fertigungslinien bewährt. Für die effiziente Automatisierung steht mit der Motion-Control-Steuerung Rexroth NYCe 4000 eine für den Solartechnik- und Halbleiter-Bereich optimierte Steuerung zur Verfügung.

Bewegungen müssen weich und vibrationsfrei ablaufen

Bei der Verarbeitung waferbasierter Solarmodule ist ein weicher und vibrationsfreier Bewegungsablauf wichtig, damit die dünnen Siliziumscheiben keinen Schaden nehmen. Der Waferlift behandelt die Kristalle außerhalb der schützenden Glashülle deshalb besonders sorgsam. Er vereint hochpräzise Rexroth-Komponenten verschiedener Technologiefelder und stellt dem Anwender eine komplette Baugruppe zur Verfügung. Für die lineare Bewegung mit geringem Reibungswiderstand wurde eine Kugelschienenführung mit einem Kugelgewindetrieb der Toleranzklasse fünf kombiniert. Durch sie führt der Waferlift sieben Millionen Arbeitszyklen garantiert ohne Nachschmierung aus. Der wartungsfreie Servomotor wird vom kompakten Servoregler Rexroth EcoDrive Cs angesteuert.

Präzise, energieeffiziente und zuverlässige Servoantriebe der IndraDrive-Familie von Rexroth decken das gesamte Spektrum vom kompakten Servomotor bis zum kompletten Antriebsystem ab. Je nach Anforderdung stehen Modelle mit besonders hoher Leistung, gekapselten, explosionsgeschütztem Motor oder im Fall von IndraDrive Mi mit integrierter Regelelektronik zur Verfügung.

Flexibles Handling in der Produktion

Nach der Produktion der Solarzellen müssen diese zu einem kompletten Panel verbunden werden. Das ist eine Aufgabe für camoLINE, den Baukasten für Handlingsysteme. Ein hoher Standardisierungsgrad gepaart mit einem umfangreichen Produktprogramm bildet die Grundlage für gleichermaßen individuelle wie erweiterbare Lösungen. Sie erlauben den Aufbau maßgeschneiderter Handlingsysteme, die Einzelkonstruktionen in nichts nachstehen.

Mit camoLINE, dem Baukasten für Handlingsysteme, lassen sich pneumatische und elektromechanische Komponenten schnell und leicht kombinieren.
Mit camoLINE, dem Baukasten für Handlingsysteme, lassen sich pneumatische und elektromechanische Komponenten schnell und leicht kombinieren.

Mit camoLINE stehen dem Anwender abgestimmte Linearsysteme, Motoren sowie pneumatische Minischlitten, Drehmodule und Greifer zur Verfügung. Sie lassen sich über eine innovative Verbindungstechnik mit formschlüssigen Verbindungen zu stabilen Linien- und Flächenportale oder Pick-and-Place-Anwendungen verbinden. Durch die formschlüssigen Verbindungen entfällt das aufwändige Ausrichten der Elemente. Der Einsatz von Adapterelementen ist nicht notwendig.

Elektromechanik und Pneumatik gemischt einsetzen

Die Sieghard Schiller GmbH & Co. KG aus Sonnenbühl verwendet deshalb camoLINE bei der Automatisierung einer Produktionslinie für Solarzellen. 18 Prozessmodule sind hier miteinander verbunden: Die Arbeitsschritte vom Entstapeln der Rohlinge, über deren Transport und der Ausrichtung der Zellen, bis zum Verpacken der fertigen Solarzellen für die Auslieferung bilden einen homogenen Prozess. Durch die standardisierten Elemente sank die Zahl der Fertigungsteile an einigen Stellen um rund 75 %. Die Konstruktion erfolgte gut 30 % schneller als mit individuell gefertigten Komponenten.

An den Arbeitsstationen ist auch der gemischte Einsatz elektromechanischer und pneumatischer Achsen problemlos möglich. Aus der Compact-Baureihe stehen elektromechanische Linearmodule mit Kugelgewindetrieb für hohe Positioniergenauigkeit sowie mit Zahnriemen für hohe Verfahrgeschwindigkeiten zur Wahl. Passend dazu vereinen die Rexroth IndraDyn Servomotoren in Schutzart IP65 kompakte Bauform und hohe Dynamik. Bei den pneumatischen Aktoren gibt es ebenfalls eine reichhaltige Auswahl leistungsfähiger Komponenten, beispielsweise Minischlitten mit zwei Antriebszylindern und vielseitigen Möglichkeiten für die Befestigung an weitere Handhabungskomponenten über die standardisierte Schnittstelle Easy-2-Combine. Die kraftvollen Drehmodule zeichnen sich durch die präzise und belastungsfähige Lagerung des Drehflansches aus.

Bewegung wie durch Geisterhand

Die pneumatische Transporteinheit NCT nutzt den Bernoulli-Effekt, um empfindliche Werkstücke ohne Oberflächenkontakt zu bewegen. Sie eignet sich insbesondere für empfindliche Oberflächen wie Platinen oder Solarzellen.
Die pneumatische Transporteinheit NCT nutzt den Bernoulli-Effekt, um empfindliche Werkstücke ohne Oberflächenkontakt zu bewegen. Sie eignet sich insbesondere für empfindliche Oberflächen wie Platinen oder Solarzellen.

Reinigung und Oberflächenveredelung stellen innerhalb des Herstellungsprozesses eine besondere Herausforderung dar. Flüssigkeiten müssen an jede Stelle des Werkstücks ohne störende Auflagepunkte gelangen. Nur so können sie an der gesamten Oberfläche wirken. NCT (Non Contact Transfer) von Rexroth bewegt deshalb Solarzellen berührungslos ohne Magnetfeld durch die Reinigungsbäder oder Anlagen zur Oberflächenveredelung. Der berührungsfreie Transport von Produktionsgütern klingt nach Hexerei, doch mit intelligenter Pneumatik ist genau das möglich. Die pneumatische Transporteinheit NCT nutzt den Bernoulli-Effekt, um empfindliche Werkstücke ohne Oberflächenkontakt zu bewegen. Das funktioniert sogar bei luftdrucklässigen Bauteilen und in Flüssigkeiten. Möglich wird das durch einen Luftstrom, der wie bei einem Flugzeugflügel einen Differenzdruck und damit eine Hubkraft zwischen dem NCT und dem Objekt erzeugt. Es ist somit eine berührungsfreie Alternative zu Greifern oder Transportbändern in Handlingsystemen.

Erfüllt Anforderungen der Schutzklasse IP69K

Wo wenig Platz vorhanden ist, werden die leistungsfähigen Kompaktzylinder der Serie CCI (Compact Cylinder ISO) verwendet. Sie sind um bis zu 60 % kürzer bauend als andere Normzylinder nach der ISO-Norm 15552. Hohe Führungsgenauigkeit durch sehr geringes Spiel der Kolbenstange und optimiertes Design gegen Schmutzablagerungen gehören zu den weiteren Besonderheiten.

Wo es auf höchsten Schutz vor Verunreinigungen ankommt, kommt das pneumatische Ventilträgersystem CL03 (Clean Line) zum Einsatz. Es erfüllt die Anforderungen der Schutzklasse IP69K und ist unempfindlich gegen hohe Temperaturen, Flüssigkeiten und die meisten Chemikalien. Das hygienische Design ohne Fugen oder Spalten verhindert, dass sich Schmutz absetzen kann. Das CL03 wird direkt in der Anlage montiert und benötigt keinen separaten Schaltschrank. Zusätzliche Schläuche und Kabel zur Strom- und Druckluftversorgung entfallen.

Sauggreifer arbeiten feinfühlig

Statt mit Druckluft kann in der Produktion auch mit Unterdruck gearbeitet werden. Handling-Aufgaben wie Anheben, Handhaben und Transportieren lassen sich beispielsweise mit der variable Vakuumtechnik von Rexroth elegant lösen. Sauggreifer arbeiten durch exakte Steuerung des Unterdrucks ebenso kraftvoll wie feinfühlig.

Die Programmierung von Produktionsabläufen erleichtert das Automatisierungssystem IndraMotion for Handling. Durch mitgelieferte Programme und das einfache Teachen lassen sich zeitoptimierte Bewegungsabläufen festlegen, die die Produktivität der Arbeitsstationen erhöhen. Die einschaltfertige Automatisierungslösung mit durchgängigem SPS-Laufzeitsystem arbeitet mit verschiedenen Antriebsarten zusammen und erledigt je nach Ausbaustufe auch anspruchsvolle Motion-Control-Aufgaben, für die sonst eine zusätzliche CNC- oder Robotersteuerung notwendig wäre.

Lösungen für Gegenwart und Zukunft

Ob im Vakuum oder in Flüssigkeiten, ob hochempfindliche Wafer oder komplette Glaspanele –Rexroth bietet für jede Aufgabe das passende Transport- und Handlingsystem. Der modulare Aufbau garantiert, dass sich die Lösungen mit der Weiterentwicklung der Herstellungs- und Produktionsmethoden Schritt halten. Durch die Kostenvorteile wird umweltfreundlicher Strom aus den mächtigen Modulen für immer mehr Kunden erschwinglich.

Das Stichwort - Der photoelektrische Effekt

Bereits 1839 beschrieb der Forscher Alexandre Becquerel den photoelektrischen Effekt. Ihm war aufgefallen, dass eine Batterie im Sonnenlicht eine größere Leistung hatte als dasselbe Modell im abgedunkelten Labor. Warum aber die Sonne einen stärkeren Potentialunterschied zwischen den beiden Elektroden hervorruft, konnte erst Albert Einstein 1905 ergründen. Er stellte die Hypothese auf, dass Photonen sowohl Wellen- als auch Teilchenverhalten zeigen und dadurch Elektronen aus einer Metalloberfläche freisetzen können. Für seine Arbeiten zum photoelektrischen Effekt, dem Digitalkameras, Fotozellen und Photovoltaikanlangen zu verdanken sind, erhielt er 1921 den Nobelpreis.

Photovoltaik - Die Branche im Überblick

Der Branchenumsatz der deutschen Hersteller wird auf 5,5 Mrd. € geschätzt.

Von der Photovoltaikbranche hängen in Deutschland rund 40.000 Arbeitsplätze bei Herstellern und Handwerkern ab.

Es gibt rund 80 Produktionsstätten für Solarstromanlagen in Deutschland. 62% der produzierten Anlagen werden im Inland verbaut, der Exportanteil steigt jedoch kontinuierlich.

Ende 2007 waren in Deutschland rund 430.000 Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von 3,8 GWp installiert.

Quelle Bundesverband Solarwirtschaft

 

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