光伏产品工厂工艺冷却水节能设计

随着全世界环境保护意识的高涨, 地球升温所造成的自然灾害日益严重, 和全世界十亿以上住在无电或缺电地区的人口用电量需求日益迫切, 光伏市场将会继续快速地成长。目前全世界太阳能发电量还不到传统能源发电量的万分之一, 主要因为太阳能发电的成本是传统能源发电成本的2~3倍。降低成本已成为太阳能产业的最重要目标, 降低成本其中的一个主要途径就是降低生产运行成本, 由于光伏产品的制造过程工艺冷水消耗的冷量极大, 减少工艺冷冷却水的运行成本, 将是减低运行成本的重要途径, 同时也与国家现在倡导节能减排低碳环保的政策对应。目前光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节;中游为电池片、电池组件环节;下游为应用系统环节。本文将主要从硅片和电池片生产中的工艺冷却水系统设计分析, 探讨生产工艺的节能措施。

1 单晶生长或多晶铸锭车间

单晶生长:将配好的硅料装入单晶炉内、抽真空、充氩气配套工艺冷却水。加温将原料溶化, 按控制程序拉制单晶;多晶铸锭工厂将硅料放入多晶铸锭炉, 融化硅料后定向冷却凝固成型, 两种工艺设备的工艺冷却水参数如表1。

工艺冷却水水质:酸碱度pH=6.0~8.0硬度 (CaCO3) <150PPM;导电率<500μS/C M;氯离子 (C l-) <1 0 0 P P M;硫酸根离子 (SO42-) <200PPM;碳酸碱 (CaCO3) 15PPM~60PPM。

从上表分析, 多晶和单晶厂房的工艺冷却水是全厂主要的冷负荷, 并且水质要求较高, 如果以常规200MW单晶产能的单晶厂房为例, 仅工厂的工艺冷却水总的冷量约为20, 000kW, 如果全部采用电制冷机组冷却, 为工艺服务的用电负荷将达到5000kVA。因此如何减少工艺冷却水的能耗将是该厂房节能的重要方向, 笔者根据几个工厂的设计建设经验, 采用了几种不同的冷却方式, 实现了电能最少利用。

1.1 冷却塔两级冷却法

根据工艺冷却水的供回水温度分析炉体需要的温度为20/25℃, 温度比较高, 可以采用常用的开式冷却塔的方式冷却, 由于水质要求较高, 故需要板换换热。根据当地的气候情况, 在冬季和过度季节开启开式冷却塔一次冷却工艺冷却水, 基本可以达到设备要求, 在夏季, 则将冷水机组启动, 以7/12℃的冷却水作为二级冷源, 分担冷却塔不能冷却下来的温度, 由于冷却塔的用电量远远小于主机的用电, 这样将大大降低工艺的冷却负荷, 简要的流程如图1。

1.2 闭式冷却塔冷却法

由于闭式冷却塔的特点是完全在封闭的盘管内冷却工艺冷却水, 工艺冷却水不会收到环境污染, 或成为空气和水的换热器。鉴于工艺冷却水的水质要求较高, 在小型的单晶厂房可以采用闭式冷却塔一级冷却工艺冷却水, 由于其系统减少了常温冷取水泵, 系统简单, 节能更为明显。简要的原理如图2。

1.3 深层河流水冷却法

由于深层河流水或地下水的温度受大气影响较小, 年平均温度在12℃~20℃之间, 在南方很多地区河流丰富, 湖泊众多, 如果能采用地表水直接冷却工艺冷却水, 将大大减少设备的投资, 同时由于深层河流水水温恒定, 冷却效果也比传统冷却塔好。其简单原理如右图, 即直接抽取深层地表水经简单的水处理后送入换热器, 实现冷却。通常由于光伏工厂用自来水量较大, 适当的时候可以利用抽取河流的水制成自来水后在送入换热器, 减少回灌, 这样回水量将大大减少, 实现一举两得的作用 (如图3) 。

1.4 液态气体冷却法

目前的光伏工厂需要大量的氮气和氩气, 传统的汽化器采用空温式汽化器, 在用气量大的时候往往汽化效果不好, 如有稳定的水源采用水浴式汽化器, 将大大提高汽化效果, 考虑单晶工艺冷却水温恒定, 常年稳定, 故可以采用水浴式汽化器, 将汽化器直接放入工艺冷却水池, 单晶炉的回水温度为25℃, 直接汽化液态气体, 同时可以实现局部冷却工艺冷却水, 某500MW单晶和电池片厂房生产使用的氮气和氩气用量分别为2100CMH和5400CMH, 冷量计算如表2 (如图4) 。

从表2计算分析该厂液氮和液氩汽化冷却冷量约为850kW, 考虑全年运行, 没有额外的设备投资, 故节能的经济效益明显。

2 切片车间

单晶或多晶切片车间工艺流程大致分为去头尾、研磨、倒角、硅片切割等工艺, 其中硅片切割采用多线切片机上进行切片。切割机采用切割线粘取切割液对硅片进行精密切割, 切割过程中将摩擦产生大量的热, 这部分热将通过工艺冷却水带走, 切割机通常的工艺冷却水温度为12℃/17℃, 也有设备要求9℃/14℃, 水质要求也较高, 传统采用电制冷机组加板式换热器的方式运行;根据对工艺设备的研究和对主机的改造, 笔者在一个项目中采用了冷水机组直接冷却的方式, 大大减少了系统, 同时主机的能效比大大提高。大家都知道冷水机组如蒸发器出水温度升高, 能效比将比额定值显著提高, 但是由于切片机采用的工艺冷却水水质补水为脱盐水, 而普通的冷水机组采用的蒸发器壳体多为碳钢, 长期运行后将对蒸发器产生腐蚀, 同时工艺冷却水的水质不能保证。在与主机厂家研讨后, 为避免过于提高主机的成本, 在蒸发器壳体内忖防腐蚀涂层, 这样对主机的运行成本增加不高, 同时工艺冷却水也不会对壳体产生腐蚀, 并且实现的传统做法的技术改造提升 (如图5) 。

切片车间不同与拉晶车间, 冬季需要采暖, 传统采用了电加热或热水锅炉系统提供热源, 考虑到切片机需要全年提供工艺冷却水, 同时水温恒定, 全年可以提供12℃/17℃的水, 这个温度和冬季水源热泵抽取的地下水温度基本相似, 在武汉某项目中大胆采用了水源热泵机组直接用于工艺冷却水冷却, 即冬季利用切片机的稳定的工艺冷却水输入水源热泵蒸发器, 冷凝器就可以生产45℃/50℃的热水, 提供给空调系统加热用, 同时采用冷却塔作为备用冷却系统, 作为夏天使用。这样该主机同时实现了冬天的制热和夏天的制冷, 完全满足工艺冷却和空调采暖的需要, 实现的能源的最小浪费。

3 电池片车间

太阳电池片的制造, 是在单晶和多晶硅片的基础上, 进行制绒、清洗、扩散、印刷、烧结等加工生产。主流的电池片生产设备的工艺冷却水温度为18℃/28℃, 温差较大, 考虑部分车间需要冬季采暖, 于是这样的车间采用了全热回收机组制取工艺冷却水, 同时空压机也用该温度的水冷却, 实现了空压机的热回收。热回收的水温度为40℃/45℃, 可以用与新风预加热, 在对几个运行的车间调研后, 基本上热回收的热水可以满足主要的车间热负荷, 配套少量的电加热或风冷热泵即可以满足生产需要由于冷水机组的热回收技术比较成熟, 在这里就不做详细的叙述了。

工艺冷却系统是光伏厂房最重要的系统之一, 同时能源的消耗量也是极大的, 根据不同的工厂和当地气候条件, 采用不同的冷却方式, 可以实现节能与效益双收的结果。未来光伏市场前景光大, 但价格的竞争将更加激烈。也就对系统工程师提出了更高的要求, 如何更有效的实现降低能耗和提高效率将是工程行业追逐的目标。

摘要：本文介绍了光伏行业工艺冷却水的特点, 针对不同的工厂, 列举了常用的节能降耗的方式, 提供了多种的工艺冷却水的方式。

关键词：光伏工厂,冷却水,节能