多晶硅铸锭冷却水系统节能设计浅谈.docVIP

一、引言 在晶硅电池的生产工艺中，从多晶硅生产至组件的过程中，需要经过提纯铸锭、切片、电池生产工序。其中，提纯铸锭工艺又分为浇铸法和拉炼法，前者采用铸锭炉生产多晶硅片，后者多采用单晶炉，生产单晶硅片。本文主要探讨在提纯铸锭的工艺过程中，所需工艺冷却水系统的节能设计问题。 单晶硅太阳能电池工艺流程如下：冶金硅—多晶硅（西门子法）—铸锭提纯（直拉单晶硅或区域熔化提纯法）—单晶硅棒—切片—单晶硅片—单晶硅电池。 多晶体硅太阳能电池工艺流程如下：冶金硅—多晶硅（西门子法）—铸锭提纯（铸造法）—多晶硅锭—切片—多晶硅片—多晶硅电池。 从冶金硅到硅片的过程中，是整个光伏电池生产工艺链耗能最大的几个步骤，约占整个产业链能耗的90%以上，国际上综合能耗在120~160kWh/kg, 国内基本都在210 kWh/kg以上。可见，我国在生产过程中仍存在大量高耗能的地方，降低能耗是未来光伏行业发展的重要竞争力。 节能是未来企业重要的核心竞争力。 ? 二、系统构成 太阳能多晶硅和单晶硅炉在生产晶体硅的工艺过程中，都需要使用工艺冷却水（PCW）进行设备冷却，以保证设备生产设备稳定的温度场和与外界的相对低温。而工艺冷却水需要相对稳定的温度差和稳定的供水温度，一般需要采用制冷机组提供稳定的冷源。 加热15小时,熔化5~6小时内完成，长晶过程10小时，退火8~9小时完成，冷却6~8小时内，总时间控制在约45~48小时 ,加上前后装料,抽真空等时间以及后期的取料,清理时间,一般一炉在56~60小时. ? 在多晶硅铸锭炉工艺中，目前国内主流厂商均采用冷冻机进行制冷，生产7℃冷冻水，然后通过冷冻水换热生产工艺冷却水。系统构成如下 上述系统构成分类如下： 制冷系统：冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、管道系统等构成； 换热系统：换热器、PCW循环水泵、控制及管道系统等构成。 用户：多晶铸锭炉、单晶炉 生产过程中，炉体输入功率的30%左右由工艺冷却水带出炉体，最终在大气中散热掉。而散过程为一逆转换过程先制冷后散热，从热力学角度讲，存在无效攻，为系统节能创造可能。 ? 三、节能分析 基于以上分析，我们发现无论是铸锭炉还是单晶炉，其运行中需要的冷却水的目的主要是控制热场。根据笔者在众多厂商调查，发现各厂商在运行这些炉子PCW供水温度并不一致，而且相差也比较大，从18~30℃的都有；但温度差却都比较一致，基本控制2~3度温度差范围内。实际上，这些穿过炉子水冷壁和电源的冷却水主要起到维护熔化晶体后的长晶所需的温度场。 温度场的建立，对冷却水实际运行的输入温度没有特别的要求，但对其稳定性要求比较高，温差小，流量大是其重要特点。为此，笔者认为应该尽量提高冷却水的输入温度，同时尽量考虑自然冷却这些冷却水，而非采用冷冻机。 在不同的环境区域可以采用不同的系统构成。根据上述分析，我们认为在环境温度年计算湿球温度小于25度的地方是可以考虑完全采用冷却塔自然冷却。而高于该温度或高于24度的情况下，都需要考虑采用冷冻机辅助降温，以达到生产所需要的输入温度。在冷却的过程中要优先考虑采用自然冷却，然后在采用强制冷却系统产生稳定输入温度。 为便于分析，仅举列目前市场上投入运行较多250KG级多晶硅铸锭在成都地区采用混合散热和全部运行制冷系统的运行结果计算，结论如下： ??????? 一台铸锭炉以8m3/h水量计算温度差5度计算需要的冷却量:58KW. ??????? 其次计算冷冻机及冷却塔和冷却水泵电量:25KW ??????? 电费按照0.75元/度计算电费,按照每月30天,实际使用25天,合计11250元/月. ??????? 60套设备,运行电费为 67.5万/月.完全自然取冷月基本在50%以上. ??????? 如采用自然冷却配合强制冷却，则年运行费用实际可节省400万/年! ??? 对与冷冻机的运行方面而言，通常会在5~7℃选择供水温度，而对于冷冻机每提高一度出水温度，冷冻机制冷效率将提高2%~3%。因此，冷源选用中温水冷冻机组的系统（11~13℃供水温度）较低温系统会提高约12%的效率；同时该冷源也是PCW系统换热冷源的最合理温度。 ? 这就是节能的力量! 市场决定价格, 成本决定命运! ? 四、结论 随着光伏产业的蓬勃发展，中国作为太阳能电池的生产大国，其产能已经居世界第一。群雄竟起，竞争也将更加激烈。对于全球产业链上的中国光伏企业而言，工艺技术和低成本生产无疑是最重要的竞争力，做好节能工作是提升竞争力的重要方式之一。 在硅提纯铸锭环节，采用自然冷却与制冷换热相结合的系统，并优先采用自然冷却降低温差，辅助以换热来稳定PCW的供水温度，是目前工艺设备条件下的最佳选择。 同时，各设备制造商，应该努力研究，制造可以在更高冷却水温度条件生产的高效铸锭炉和单晶炉，降低单位产品的需要冷却水流量，