太陽能電池廠房潔凈系統的節能設計和節能運行

   伴隨2008年金融風暴，國際能源價格如同過山車式的急劇漲跌，變化莫測，未來經濟形勢還不明朗，全球仍處于金融風暴導致的負面影響下，以高科技為代表的半導體行業和以綠色能源為標稱的光伏電池行業均迅速進入冰冷的冬季。但在2010年的1月，全球經濟的回暖，帶來新的一輪發展機遇。 
    對于中國市場，與潔凈系統相關的行業（半導體、TFT/LED/LCD、太陽能電池、生物制藥、精細化工等）是受國家政策鼓勵和支持的發展行業，受其影響較小，仍基本保持過去的投資發展局面。目前國內能源價格在2008年全球石油大幅上漲時，電力和石化能源價格并沒有大幅上漲，在2008年底大幅下跌時也沒有大幅度下調，而是維持一個相對穩定的能源價格體系。此外，國家繼續加大對小煤窯的整頓，煤炭資源和電力價格將不大可能出現下調跡象。2010年，經濟復舒將進一步帶來電力價格的上揚�？傮w上，隨著能源消耗的增加以及地下石化資源儲量的減少，能源價格上漲仍是大勢所趨。 
    面對越來越昂貴的電費、油費和日漸上揚的勞動力成本，各個行業的潔凈室經營者都在積極尋找節約開支的方法。目前的能源價格與前幾年早已翻了一翻。與此同時，中國的潔凈室系統的業務量穩步上升，尤其是光電、太陽能電池和微電子行業。近兩年，潔凈室設計的趨勢和幾年前那些令人振奮的技術革新相比，已經不可同日而語。在過去的幾十年里，人們關心的是技術的進步以及不斷縮小產品的尺寸、塵埃的直徑、最高的凈化等級，而2010年，對大多數潔凈室管理人員和設計人員的目標：節能和穩定。  
    從半導體行業到光伏電池制造行業，潔凈室行業里的每一個人都在積極地尋求提高效率的方法�，F在，不管是尋求更好地管理或者改造現有潔凈室，使它變得更干凈或者更節能的方法，還是決定何時投資、投資什么樣的新潔凈室，在決策時成本的作用比以往任何時候都顯得更加突出。  
    伴隨國際市場經濟的低迷期，為了維持生存對一些公司來說，降低價格和減少消耗是業務發展的必然趨勢。當前的首要任務是降低運營成本，特別是在開始建造一個新潔凈室時，更應該如此。 
1、節能方向研究 
    根據近年所做項目的數據，統計了10個典型的SunFAB（太陽能電池廠房潔凈室）的能源消耗比例，下圖是統計SunFAB潔凈室系統運轉時電力消耗的分布情況。


    由此可見，在SunFAB潔凈室系統工藝生產設備電力消耗平均只占47%，而空調動力系統合計占35%（其中冷凍水系統19%，凈化空調風系統6%，制熱及排風10%）。同時，潔凈室系統的單位面積平均能耗（1200~1500W/m2）遠遠高于其他大多數制造行業，能源消耗的直接成本對潔凈室的運營者有著重大的現實意義， 能源成本的增加對潔凈室產品的成本有非常重要而直接影響，在不影響產品質量或是不增加成本的前提下減少直接能源消耗，減少潔凈室的能源花費是顯而易見的建議。 
    由于潔凈室系統總體的動力消耗非常大，潔凈室系統在各個方面都有提高能源效率的機會。 
    1) 送風和排氣系統部分占到了總量的9％。合理設計該系統有將對降低潔凈室系統的平均能耗有很大的積極意義。對于已建成的系統，要審核系統風量和可以調整的部分，避免超量排風，帶來巨大浪費。 
    2) 生產設備占據大量能耗（平均47%），由于生產設備本身的價值高，選用節能產品與設備投資的比例很小，而整體節能的空間很大。 
    3) 冷凍系統的制冷機和水泵是典型的耗能大戶，由于其受天氣環境的影響，過于精密的溫度濕度控制和過于低的溫度要求恰恰為這些系統的耗能帶來借口和機會。合理設計系統的控制標準，并與外界大氣環境參數相關聯的模式，將大大降低冷凍站系統的能耗。 
    4) 其他系統仍然有很大的節能空間，設計初期不煩采用多種設計方案，進行模擬評估，以選擇最合理的系統。 
2、節能措施 
2．1 HVAC系統的節能措施 
    較低的送風和排氣氣流的速率能保存能量并且降低成本。舉例來說，一個設計合理的排氣系統可以消除排氣波動，降低流量，那么，在裝配車間能源的消耗會降低10％至20％。過高的風速不僅增加風機電耗也帶來更多的噪聲。  
    在通過風管和過濾器時，低面速的冷卻盤管具有更低的壓降和更小的能量損失以及更高的換熱效率，能夠為風系統節約3％至7％的潔凈室運行電能。根據工程經驗，潔凈室系統的空調機組（AHU，MAU）面風速選用在2.2~2.5m/s較之選用2.5m/s(如常用2.8~3.0m/s)在設備費用方面可能增加約10%的投資，但這部分投資在系統投入運行半年就可以因電費的節約而收回投資(電費按0.7元/度計)。  
    空調加濕方式的選擇也將對動力系統的選擇和組成形成較大影響，并直接對初投資和運行成本產生影響。一般SunFAB潔凈室對濕度的要求為40%~60%，一般在新風空調器中采用蒸汽加濕；蒸汽來源為動力站鍋爐產生或自帶電熱蒸汽加濕器，該方式加濕效果和精度較好，但也是能耗最大和初投資最大的方案。噴霧加濕是比較經濟的加濕方式，加濕能力可以滿足太陽能電池廠房潔凈室的要求。此外，在干旱地區和多風沙地區也可以選擇水洗加濕方式處理新風。循環空調器中可以采用噴霧和濕膜加濕方式。但濕膜和水洗加濕的方式對運行管理要求高，一般采用較少。 
    高性能的空氣過濾器能夠更有效的供給潔凈空氣，在處理過程中也能夠減少能源的消耗。高性能的過濾除了在過濾效率方面優秀表現，最重要的體現在終阻力只有一般產品的1/2~1/3，大大降低系統阻力，減小風機功率。每降低100Pa系統阻力，電機的使用功率將減低2%至4%，尤其在有高效過濾器的系統。使用較為保守的過濾器組合，有助于很好的保護高效過濾器，從而延長其使用壽命。 
     用于二次循環水泵、新風和排風的風機電動機用變速驅動，耗能可以減少15％至30％，小于恒速驅動的能耗，因此在這些系統中采用變頻技術將較為有效的降低電力消耗。 
    高效的電動機、風機以及泵需要的能源較少。 
    減少潔凈室體積能夠降低對氣流循環的要求以及降低能耗。潔凈室微環境的設計也是為了節約能源。同時為提供潔凈室利用率，應合理布局工藝設備和進行空間管理，讓潔凈室單位面積的利用率最大化。尤其在目前的薄膜電池生產工藝中，高大的潔凈室空間恰恰是能耗極高的象征。 
    降低冷卻塔中的水流速度能夠減少冷卻水管道的壓力和管道能源的使用。這種方法能有效地減少3％至7％的設備能源消耗。冷卻水及冷凍水系統的污垢系數對系統的換熱效率帶來顯著改變。工程維護中，對運行一年的冷凍機換熱器進行徹底清洗后，系統效率提高了4%~7%。 
    對應不同的供水溫度和能源輸入，為可見的或潛在的冷卻功能提供分離冷卻循環，能節約能源。對與冷凍機的運行方面而言，通常會在5~7℃選擇供水溫度，而對于冷凍機每提高一度出水溫度，冷凍機制冷效率將提高2%~3%。因此，對潔凈室采用干盤管的中溫水冷卻系統（11~13℃供水溫度）并選用中溫水的冷凍機組較低溫系統會提高約12%的效率；同時該冷源也是PCW系統換熱冷源的最合理溫度。 
    盡量整合系統冷源和熱源系統，利用冷源的廢熱回收作為熱源，可以大大降低動力部分的能源消耗。在采用熱回收的冷凍機系統的潔凈室系統能耗一般將降低空調系統能耗15%以上。而對整個動力系統熱量的回收，如空壓機廢熱回收，鍋爐煙氣熱回收等，系統能耗將進一步得到有效降低。 
    在凈化空調風系統的選擇上，FFU系統相對同等級的中央處理系統更節能。過去在低等級潔凈室（ISO5級以下）和小型凈化系統（潔凈室面積千平方以下）的系統大多數采用中央空調凈化系統。而現在潔凈室建造技術的發展，已經大大降低了FFU的制造成本，在萬級及以上凈化等級的系統中已經可以以非常低的成本建造FFU凈化系統。目前市場需要一個更有效的成套控制技術。許多公司正提供集成控制FFU運行的系統，它可以在需要時以最大功率或者接近最大功率的狀態運行FFU，在不使用時關掉相應的組件以節約電力；這樣做不僅可以節約電力，還可以延長高效過濾器的使用壽命。  選擇合理的室內正壓值，以避免新風的大量浪費。在35%的空調動力消耗中有30%以上是用于新風的處理。眾所周知，太陽能電池廠因工藝的需要，需要大量排風。而一個100MW晶硅太陽能電池的排風量達到100000m3/h；正壓風量大約20000 
m3/h，整個系統需要的新風量達到120000 m3/h。正壓選擇過大，需要更大量的新風。一般而言設計中選用10~15Pa室內外正壓差。但在運行中因房間密閉性以及開關門的次數等因素影響，維持10Pa±3Pa是相對比較經濟并完全滿足生產工藝要求的。這里與《潔凈廠房設計規范》的要求有些不同。 
2．2 避免變頻器使用的誤區 
    現在很多設計師在大量的電動設備中使用變頻器進行啟動和控制，并以此作為節能設計的措施。事實上，大量變頻器基本處于滿頻或近滿頻運行狀態，不僅沒有得到變頻帶來的節能效益，反而因變頻器的運行增加了能源的消耗。要知道變頻器只有在低于一定頻率下運行（一般45HZ以下）才能相對實現節能的可能。變頻器本身是耗能設備，一般為變頻功率的6~8%。因此，如果是定流量的系統，沒有必要考慮采用變頻器控制，如下： 
    PCW的循環水泵； 
    循環空調器的電動機； 
    冷凍機的冷卻水泵和一次冷凍水泵；
    真空設備固定頻率和變頻混合使用； 
    空壓機固定頻率和變頻混合使用； 
    局部定風量的工藝排風機等。 
    采用高效的小流量設備組合，通過運行設備的數量來實現負荷變化，將非常有效的降低能源消耗。如美國Huntair公司研究開發的由多個風扇組成的風扇組陣正在逐步取代傳統的單個風扇的方法。在使用單個風扇時，甚至在效率很高的情況下，當負載較低時，風扇越大就意味著越浪費。而在使用風扇壁的環境下，工作人員可以關掉個別風扇，而余下的風扇將以最高的速度運作。Huntair公司的一個客戶發現，使用兩組由九個風扇組成的風扇壁比使用兩個更大的風扇更經濟、更有效，這樣做每年至少可以節省下40萬美元的能源成本。 
     2．3 預見可能的變化，提高潔凈室面積的利用率 
    潔凈室的建造和運行成本都非常高，因此在最小面積的潔凈室面積里實現最大的產能無疑是最節能的措施之一。作為工藝設計師要合理規劃太陽能電池廠房的布局和車間內部布局以有效利用利用室面積。同時考慮未來工藝改進的需要，要盡量考慮未來變化的需求，在潔凈室的空間和組成結構設計中充分考慮預見這些變化的可能。
    潔凈室面積的參數以下數據僅供規劃時參考 晶硅電池線30MW----900M2 100~120MW----2500~3000M2 300MW----7000~8500M2 
    另一方面，越來越多的企業已經意識到電池制造工藝改進的加速，所有的制造商都很清楚，只要你充分預見到未來的需要，就可以大大地降低潔凈室的建造成本。規劃生產線時應盡量考慮這種發展的趨勢，因此，盡量減少潔凈室的內部分隔，將吊頂與隔墻作成各自獨立的可拆卸體，采用FFU的吊頂系統，提高吊頂高度，模塊化分隔工藝區域，盡量預留更多動力管線容量，為增加動力需求創造可能，等等。 
    這樣，當企業打算擴大生產線時，只需要支付極低的成本就可以實現這個目標。只要為額外的材料和早期的準備工作付出很少的一點錢就可以了，而用不著關閉潔凈室，把墻壁拆掉，進行較大的改造，而這樣做的代價是非常高的。 
    在建造潔凈室時，能夠充分地考慮到未來的發展趨勢，制造商可以更靈活地做出改變，在不必在進行大規模重建的基礎上升級潔凈室。 
 
2．4 回收利用和節省其他冷源消耗 
    太陽能電池廠房生產需要的能源消耗除電力外，其他能源消耗的節能設計也非常重要。在整個廠務系統的設計過程中要充分考慮水、熱、冷、氣等能源的回收利用，以節省整體的能源消耗。 
     純水站的反沖洗廢水具有較高的回收價值，應考慮回收綜合利用。 
    燃氣燃油鍋爐排煙尾氣熱回收，可以大大提高熱源效率，采用煙氣熱回收系統后，整個系統可以提高燃料的利用率9%~12%以上。通過熱回收，還可實現燃氣鍋爐尾氣的冷凝水回收，這在缺水地區是值得實施的。 
    空壓機的廢熱回收利用，冬季用于熱源補充，夏季用于新風空調的再熱熱源。 
    盡量利用車間內區域的發熱不平衡因素，合理組織潔凈室氣流形式，以實現車間內部的熱平衡交換。如將新風只送入擴散區，而從擴散區的灰區將高混合后的空氣流向擴散前后清洗區域，以彌補這些區域發熱不足，見下圖。

3、運行節能 
3．1 空調系統的節能運行 
    目前新風系統+循環空調或FFU凈化系統的空氣凈化潔凈室成為多數SunFAB的主流形式。但由于潔凈室內各個工藝段的發熱量、溫度、濕度和潔凈度的要求不同，運行控制也存在很大差別。 
    根據晶硅電池線工藝需要，在擴散前后清洗區應該送入恒定溫度的新風，車間內發熱量較低。而在擴散和燒結印刷區域，因工藝發熱量大，需要制冷。因此整個廠房全年基本是需要制冷的。新風溫度送風可以采用露點送風溫度，進入室內混合后達到設計相對濕度范圍。尤其在夏季，新風通過冷盤管除濕后，露點溫度在13~14℃，可直接送入車間FFU吊頂靜壓箱內，與室內空氣混合，而無須通過再熱盤管加熱至20~22℃。 
    另外，根據室外新風的絕對含濕量控制加濕器，以保證新風最低濕度范圍，如設計范圍為40%~60%，加濕量以40%為計算基準的加濕量，從而減少整個系統的加濕量。通過該方式加濕控制，會較中間值（50%）控制法節省加濕負荷50%以上。這里需要告訴大家的是，空氣在進入潔凈室后絕對含濕量不會減少只會增加，因此加至最低下限就夠了。 
3．2 動力站的節能運行 
    動力站的節能運行，首先要讓運行管理人員明白系統的構成，如何運行可以
節能，需要制定相應的操作規程，以保證運行的安全為前提，實現節能運行。 
 4、后記 
    隨著半導體技術向太陽能電池領域的深入發展，新的工藝將不斷產生，太陽能電池的工藝技術將越來越趨近半導體技術工藝，對于其潔凈室的發展方向是： 
    更高凈化等級的要求，清洗擴散為千級凈化要求的潔凈室將成為主流SunFAB。 
    工藝的變化更快，對潔凈室的可擴展性要求更高，干盤管+FFU+新風系統的凈化系統將大量應用到SunFAB系統中。 
    單晶硅電池仍將繼續保持高速增長，生產工藝將越來越多的采用半導體IC制造工藝技術，而薄膜電池也將更多的應用TFT制造工藝技術，對SunFAB潔凈室的技術要求也將越來越趨近上述兩類FAB的特征要求。 

    中國作為太陽能電池的生產大國，其產能已經居世界第一，群雄竟起，競爭也將更加激烈。對于全球產業鏈上的中國光伏企業而言，工藝技術和低成本生產無疑是最重要的競爭力，做好節能工作是提升競爭力的重要方式之一。

原文來源：http://www.citrusparkrv.net/