計算機(jī)輔助研究多晶硅加工能耗問題

吳 磊 江訓(xùn)艷

（1.江西工程學(xué)院，江西 新余338000；2.新余學(xué)院，江西 新余338004）

0 引言

多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域的高能耗問題一直為社會各界所關(guān)注，光伏產(chǎn)品制造商通常被認(rèn)為是高能耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]研究表明光伏組件在整個生命周期里面節(jié)約的能源將少于生產(chǎn)它所消耗的能源，即光伏發(fā)電技術(shù)的能源回收期高于它的生命周期，這樣的一些看法影響了光伏技術(shù)的應(yīng)用和推廣，阻礙了光伏技術(shù)與其它新能源技術(shù)的競爭。當(dāng)前我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)整體水平，尤其是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)、裝備等方面與技術(shù)領(lǐng)先國家相比較還存在較大的差距，導(dǎo)致我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨許多問題，目前有很多的研究也提到了類似的問題，如文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[8]。就研究手段而言，采用計算機(jī)輔助研究是現(xiàn)在的主流研究手段。

1 計算機(jī)輔助研究

計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)學(xué)模型的建立和求解提供了新的舞臺，極大地推動了數(shù)學(xué)向其他技術(shù)科學(xué)的滲透，同時計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、計算機(jī)集成制造、計算機(jī)模擬、計算機(jī)仿真等材料科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。 例如材料科學(xué)與行為工藝的模擬、材料加工過程的計算機(jī)控制、材料科學(xué)研究中的數(shù)據(jù)與圖像處理等，課題采用計算機(jī)輔助計算、分析、模擬研究多晶硅生產(chǎn)加工能耗問題，有利于問題的分析和解決。

2 改良西門子法

多晶硅生產(chǎn)的西門子工藝，其原理就是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔瑁啥嗑Ч璩练e在硅芯上。改良西門子工藝是在傳統(tǒng)西門子工藝的基礎(chǔ)上，同時具備節(jié)能、降耗、回收利用生產(chǎn)過程中伴隨產(chǎn)生的大量H2、HCI、SiCI4等副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅。

圖1 改良西門子法原理圖

3 實(shí)驗(yàn)方案

首先根據(jù)多晶硅加工流程，找出多晶硅能耗大的影響因素，建立多晶硅能耗研究數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型的求解與分析，找出多晶硅能耗的關(guān)鍵性影響因素，并研究這些因素對硅生產(chǎn)效率的影響度，在仿真分析研究的基礎(chǔ)上，制定多晶硅能耗的控制策略和總體方案，最后依據(jù)多晶硅能耗的控制策略和總體方案，用少量硅進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，形成一套完成的光伏材料多晶硅加工能耗問題的理論體系。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

多晶硅生產(chǎn)消耗工業(yè)硅原料：1.5kg，即每生產(chǎn)1kg高純多晶硅需要1.5kg冶金硅；拉制硅棒或澆鑄硅錠消耗高純多晶硅：1.2kg，即1kg硅錠/硅棒需要1.2kg高純多晶硅；1kg硅棒或硅錠可以切60片125×125mm的硅片（薄片可切70～90片），每片平均制造2.4Wp太陽電池，合計為：144Wp/kg。

制造每瓦太陽電池需要的高純多晶硅：1200g/144Wp=8.3g/Wp，（國內(nèi)先進(jìn)水平：6g/Wp）；

制造每瓦太陽電池需要的工業(yè)硅：1.2×1.5×1000g/144Wp=12.5g/Wp；根據(jù)上述參數(shù)計算，得到各環(huán)節(jié)電力消耗情況如下：

太陽電池組件產(chǎn)率＝98%(即封裝成品率)，全部能量消耗：

5 總結(jié)

通過文獻(xiàn)查閱和下廠實(shí)地考察，掌握各種生產(chǎn)技術(shù)和條件下多金硅生產(chǎn)加工的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，再用計算機(jī)技術(shù)建模，進(jìn)行數(shù)值分析，模擬生產(chǎn)過程，計算、分析結(jié)果，與實(shí)際多金硅生產(chǎn)加工能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，分析影響多晶硅加工能耗的因素，模擬計算多晶硅加工的能耗，為研究多金硅生產(chǎn)加工各環(huán)節(jié)能耗降低的空間提供參考。

［1］段連.新型多晶硅還原爐溫度 流動和能耗的模擬[D].天津大學(xué),2013-06-01.

［2］胡韶華.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多源能耗特性研究[D].重慶大學(xué),2012-04-01.

［3］多晶硅：高污染、高耗能YESor NO？[N].中國能源報,2009-11-16.

［4］硅烷熱分解生產(chǎn)多晶硅的三維模擬[J].人工晶體學(xué)報,2012-12-15.

［5］田林,等.多晶硅生產(chǎn)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].云南冶金,2011-06-25.

［6］侯彥青.改良西門子法制備多晶硅過程的理論分析及建模[D].昆明理工大學(xué),2012-10-07.