太阳能电池厂房洁净系统的节能设计和节能运行

第 1 页 共 9 页太阳能电池厂房洁净室系统的节能设计和节能运行Saving Energy Design and Operation of Cleanroom system in SunFAB 信息产业电子第十一设计研究院有限公司 崔永祥 蒋玉梅【摘要】针对太阳能电池厂房的洁净室系统的节能问题，分析了洁净室系统节能方向，节能的措施和建议，并就这些措施和方法进行了讨论。同时对已有洁净室系统的运行或改造提供了相应论述。【关键词】洁净室 节能设计 节能运行 节能改造伴随 2008 年金融风暴，国际能源价格如同过山车式的急剧涨跌，变化莫测，未来经济形势还不明朗，全球仍处于金融风暴导致的负面影响下，以高科技为代表的半导体行业和以绿色能源为标称的光伏电池行业均迅速进入冰冷的冬季。但在 2010 年的 1 月，全球经济的回暖，带来新的一轮发展机遇。对于中国市场，与洁净系统相关的行业（半导体、 TFT/LED/LCD 、太阳能电池、生物制药、精细化工等）是受国家政策鼓励和支持的发展行业，受其影响较小，仍基本保持过去的投资发展局面。目前国内能源价格在 2008 年全球石油大幅上涨时，电力和石化能源价格并没有大幅上涨，在 2008 年底大幅下跌时也没有大幅度下调，而是维持一个相对稳定的能源价格体系。此外，国家继续加大对小煤窑的整顿，煤炭资源和电力价格将不大可能出现下调迹象。 2010 年，经济复舒将进一步带来电力价格的上扬。总体上，随着能源消耗的增加以及地下石化资源储量的减少，能源价格上涨仍是大势所趋。面对越来越昂贵的电费、油费和日渐上扬的劳动力成本，各个行业的洁净室经营者都在积极寻找节约开支的方法。目前的能源价格与前几年早已翻了一翻。与此同时，中国的洁净室系统的业务量稳步上升，尤其是光电、太阳能电池和微电子行业。近两年，洁净室设计的趋势和几年前那些令人振奋的技术革新相比，已经不可同日而语。在过去的几十年里，人们关心的是技术的进步以及不断缩小产品的尺寸、尘埃的直径、最高的净化等级，而 2010 年，对大多数洁净室管理人员和设计人员的目标：节能和稳定。从半导体行业到光伏电池制造行业，洁净室行业里的每一个人都在积极地寻求提高效率的方法。现在，不管是寻求更好地管理或者改造现有洁净室，使它变得更干净或者更节能的方法，还是决定何时投资、投资什么样的新洁净室，在决策时成本的作用比以往任何时候都显得更加突出。伴随国际市场经济的低迷期， 为了维持生存对一些公司来说， 降低价格和减少消耗是业务发展的必然趋势。当前的首要任务是降低运营成本，特别是在开始建造一个新洁净室第 2 页 共 9 页时，更应该如此。1 、节能方向研究根据近年所做项目的数据，统计了 10 个典型的 SunFAB （太阳能电池厂房洁净室）的能源消耗比例，下图是统计 SunFAB 洁净室系统运转时电力消耗的分布情况。排风系统3%真空系统1%PCW系统6%空调系统4%制冷系统19%制热系统10%FFU2%照明系统 1%压缩空气2%废水系统2%纯水系统3%工艺设备47%纯水系统废水系统排风系统真空系统PCW系统空调系统制冷系统制热系统FFU照明系统压缩空气工艺设备由此可见，在 SunFAB 洁净室系统工艺生产设备电力消耗平均只占 47% ，而空调动力系统合计占 35% （其中冷冻水系统 19% ，净化空调风系统 6% ，制热及排风 10% ） 。同时，洁净室系统的单位面积平均能耗（ 1200~1500W/m 2）远远高于其他大多数制造行业， 能源消耗的直接成本对洁净室的运营者有着重大的现实意义， 能源成本的增加对洁净室产品的成本有非常重要而直接影响，在不影响产品质量或是不增加成本的前提下减少直接能源消耗，减少洁净室的能源花费是显而易见的建议。由于洁净室系统总体的动力消耗非常大，洁净室系统在各个方面都有提高能源效率的机会。1) 送风和排气系统部分占到了总量的 9％。合理设计该系统有将对降低洁净室系统的平均能耗有很大的积极意义。对于已建成的系统，要审核系统风量和可以调整的部分，避免超量排风，带来巨大浪费。2) 生产设备占据大量能耗（平均 47% ） ，由于生产设备本身的价值高，选用节能产品与设备投资的比例很小，而整体节能的空间很大。3) 冷冻系统的制冷机和水泵是典型的耗能大户，由于其受天气环境的影响，过于精第 3 页 共 9 页密的温度湿度控制和过于低的温度要求恰恰为这些系统的耗能带来借口和机会。合理设计系统的控制标准，并与外界大气环境参数相关联的模式，将大大降低冷冻站系统的能耗。4) 其他系统仍然有很大的节能空间，设计初期不烦采用多种设计方案，进行模拟评估，以选择最合理的系统。2 、节能措施2 ． 1 HVAC 系统的节能措施较低的送风和排气气流的速率能保存能量并且降低成本。 举例来说， 一个设计合理的排气系统可以消除排气波动，降低流量，那么，在装配车间能源的消耗会降低 10 ％至20 ％。过高的风速不仅增加风机电耗也带来更多的噪声。在通过风管和过滤器时， 低面速的冷却盘管具有更低的压降和更小的能量损失以及更高的换热效率，能够为风系统节约 3 ％至 7％的洁净室运行电能。根据工程经验，洁净室系统的空调机组（ AHU ， MAU ）面风速选用在 2.2~2.5m/s 较之选用 2.5m/s( 如常用 2.8~3.0m/s) 在设备费用方面可能增加约 10% 的投资，但这部分投资在系统投入运行半年就可以因电费的节约而收回投资 (电费按 0.7 元 / 度计 )。空调加湿方式的选择也将对动力系统的选择和组成形成较大影响， 并直接对初投资和运行成本产生影响。一般 SunFAB 洁净室对湿度的要求为 40%~60% ，一般在新风空调器中采用蒸汽加湿；蒸汽来源为动力站锅炉产生或自带电热蒸汽加湿器，该方式加湿效果和精度较好，但也是能耗最大和初投资最大的方案。喷雾加湿是比较经济的加湿方式，加湿能力可以满足太阳能电池厂房洁净室的要求。此外，在干旱地区和多风沙地区也可以选择水洗加湿方式处理新风。循环空调器中可以采用喷雾和湿膜加湿方式。但湿膜和水洗加湿的方式对运行管理要求高，一般采用较少。高性能的空气过滤器能够更有效的供给洁净空气， 在处理过程中也能够减少能源的消耗。高性能的过滤除了在过滤效率方面优秀表现，最重要的体现在终阻力只有一般产品的 1/2~1/3 ，大大降低系统阻力，减小风机功率。每降低 100Pa 系统阻力，电机的使用功率将减低 2% 至 4% ，尤其在有高效过滤器的系统。使用较为保守的过滤器组合，有助于很好的保护高效过滤器，从而延长其使用寿命。用于二次循环水泵、新风和排风的风机电动机用变速驱动，耗能可以减少 15 ％至30 ％，小于恒速驱动的能耗，因此在这些系统中采用变频技术将较为有效的降低电力消第 4 页 共 9 页耗。高效的电动机、风机以及泵需要的能源较少。减少洁净室体积能够降低对气流循环的要求以及降低能耗。 洁净室微环境的设计也是为了节约能源。同时为提供洁净室利用率，应合理布局工艺设备和进行空间管理，让洁净室单位面积的利用率最大化。尤其在目前的薄膜电池生产工艺中，高大的洁净室空间恰恰是能耗极高的象征。降低冷却塔中的水流速度能够减少冷却水管道的压力和管道能源的使用。 这种方法能有效地减少 3 ％至 7％的设备能源消耗。冷却水及冷冻水系统的污垢系数对系统的换热效率带来显著改变。工程维护中，对运行一年的冷冻机换热器进行彻底清洗后，系统效率提高了 4%~7% 。对应不同的供水温度和能源输入，为可见的或潜在的冷却功能提供分离冷却循环，能节约能源。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，对洁净室采用干盘管的中温水冷却系统（ 11~13 ℃供水温度）并选用中温水的冷冻机组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。尽量整合系统冷源和热源系统， 利用冷源的废热回收作为热源， 可以大大降低动力部分的能源消耗。在采用热回收的冷冻机系统的洁净室系统能耗一般将降低空调系统能耗 15% 以上。而对整个动力系统热量的回收，如空压机废热回收，锅炉烟气热回收等，系统能耗将进一步得到有效降低。在净化空调风系统的选择上， FFU 系统相对同等级的中央处理系统更节能。过去在低等级洁净室（ ISO5 级以下）和小型净化系统（洁净室面积千平方以下）的系统大多数采用中央空调净化系统。而现在洁净室建造技术的发展，已经大大降低了 FFU 的制造成本，在万级及以上净化等级的系统中已经可以以非常低的成本建造 FFU 净化系统。目前市场需要一个更有效的成套控制技术。许多公司正提供集成控制 FFU 运行的系统，它可以在需要时以最大功率或者接近最大功率的状态运行 FFU，在不使用时关掉相应的组件以节约电力；这样做不仅可以节约电力，还可以延长高效过滤器的使用寿命。选择合理的室内正压值，以避免新风的大量浪费。在 35% 的空调动力消耗中有30% 以上是用于新风的处理。众所周知，太阳能电池厂因工艺的需要，需要大量排风。而一个 100MW 晶硅太阳能电池的排风量达到 100000m 3/h ；正压风量大约 20000 第 5 页 共 9 页m 3/h ， 整个系统需要的新风量达到 120000 m 3 /h 。 正压选择过大， 需要更大量的新风。一般而言设计中选用 10~15Pa 室内外正压差。 但在运行中因房间密闭性以及开关门的次数等因素影 响，维持 10Pa± 3Pa 是相对比较经济并完全满足生产工艺要求的。这里与《洁净厂房设计规范》的要求有些不同。2 ． 2 避免变频器使用的误区现在很多设计师在大量的电动设备中使用变频器进行启动和控制，并以此作为节能设计的措施。事实上，大量变频器基本处于满频或近满频运行状态，不仅没有得到变频带来的节能效益，反而因变频器的运行增加了能源的消耗。要知道变频器只有在低于一定频率下运行（一般 45HZ 以下）才能相对实现节能的可能。变频器本身是耗能设备，一般为变频功率的 6~8% 。因此，如果是定流量的系统，没有必要考虑采用变频器控制，如下：PCW 的循环水泵；循环空调器的电动机；冷冻机的冷却水泵和一次冷冻水泵；真空设备固定频率和变频混合使用；空压机固定频率和变频混合使用；局部定风量的工艺排风机等。采用高效的小流量设备组合，通过运行设备的数量来实现负荷变化，将非常有效的降低能源消耗。如美国 Huntair 公司研究开发的由多个风扇组成的风扇组阵正在逐步取代传统的单个风扇的方法。在使用单个风扇时，甚至在效率很高的情况下，当负载较低时，风扇越大就意味着越浪费。而在使用风扇壁的环境下，工作人员可以关掉个别风扇，而余下的风扇将以最高的速度运作。 Huntair 公司的一个客户发现，使用两组由九个风扇组成的风扇壁比使用两个更大的风扇更经济、更有效，这样做每年至少可以节省下 40万美元的能源成 本。2． 3 预见可能的变化，提高洁净室面积的利用率洁净室的建造和运行成本都非常高，因此在最小面积的洁净室面积里实现最大的产能无疑是最节能的措施之一。作为工艺设计师要合理规划太阳能电池厂房的布局和车间内部布局以有效利用利用室面积。同时考虑未来工艺改进的需要，要尽量考虑未来变化的需求，在洁净室的空间和组成结构设计中充分考虑预见这些变化的可能。第 6 页 共 9 页洁净室面积的参数以下数据仅供规划时参考晶硅电池线 30MW----900M2 100~120MW----2500~3000M2 300MW----7000~8500M2 另一方面，越来越多的企业已经意识到电池制造工艺改进的加速，所有的制造商都很清楚，只要你充分预见到未来的需要，就可以大大地降低洁净室的建造成本。规划生产线时应尽量考虑这种发展的趋势，因此，尽量减少洁净室的内部分隔，将吊顶与隔墙作成各自独立的可拆卸体， 采用 FFU 的吊顶系统， 提高吊顶高度， 模块化分隔工艺区域，尽量预留更多动力管线容量，为增加动力需求创造可能，等等。这样，当企业打算扩大生产线时，只需要支付极低的成本就可以实现这个目标。只要为额外的材料和早期的准备工作付出很少的一点钱就可以了，而用不着关闭洁净室，把墙壁拆掉，进行较大的改造，而这样做的代价是非常高的。在建造洁净室时， 能够充分地考虑到未来的发展趋势， 制造商可以更灵活地做出改变，在不必在进行大规模重建的基础上升级洁净室。2． 4 回收利用和节省其他冷源消耗太阳能电池厂房生产需要的能源消耗除电力外，其他能源消耗的节能设计也非常重要。在整个厂务系统的设计过程中要充分考虑水、热、冷、气等能源的回收利用，以节省整体的能源消耗。纯水站的反冲洗废水具有较高的回收价值，应考虑回收综合利用。燃气燃油锅炉排烟尾气热回收，可以大大提高热源效率，采用烟气热回收系统后，整个系统可以提高燃料的利用率 9%~12% 以上。通过热回收，还可实现燃气锅炉尾气的冷凝水回收，这在缺水地区是值得实施的。空压机的废热回收利用，冬季用于热源补充，夏季用于新风空调的再热热源。尽量利用车间内区域的发热不平衡因素，合理组织洁净室气流形式，以实现车间第 7 页 共 9 页内部的热平衡交换。如将新风只送入扩散区，而从扩散区的灰区将高混合后的空气流向扩散前后清洗区域，以弥补这些区域发热不足，见下图。3 、运行节能3． 1 空调系统的节能运行目前新风系统 + 循环空调或 FFU 净化系统的空气净化洁净室成为多数 SunFAB 的主流形式。但由于洁净室内各个工艺段的发热量、温度、湿度和洁净度的要求不同，运行控制也存在很大差别。根据晶硅电池线工艺需要，在扩散前后清洗区应该送入恒定温度的新风，车间内发热量较低。而在扩散和烧结印刷区域，因工艺发热量大，需要制冷。因此整个厂房全年基本是需要制冷的。新风温度送风可以采用露点送风温度，进入室内混合后达到设计相对湿度范围。尤其在夏季，新风通过冷盘管除湿后，露点温度在 13~14 ℃，可直接送入车间 FFU 吊顶静压箱内，与室内空气混合，而无须通过再热盘管加热至 20~22 ℃。另外，根据室外新风的绝对含湿量控制加湿器，以保证新风最低湿度范围，如设计范围为 40%~60% ， 加湿量以 40% 为计算基准的加湿量， 从而减少整个系统的加湿量。通过该方式加湿控制，会较中间值（ 50% ）控制法节省加湿负荷 50% 以上。这里需要告诉大家的是，空气在进入洁净室后绝对含湿量不会减少只会增加，因此加至最低下限就够了。3． 2 动力站的节能运行动力站的节能运行，首先要让运行管理人员明白系统的构成，如何运行可以第 8 页 共 9 页节能，需要制定相应的操作规程，以保证运行的安全为前提，实现节能运行。4 、后记随着半导体技术向太阳能电池领域的深入发展，新的工艺将不断产生，太阳能电池的工艺技术将越来越趋近半导体技术工艺，对于其洁净室的发展方向是：更高净化等级的要求， 清洗扩散为千级净化要求的洁净室将成为主流 SunFAB 。工艺的变化更快， 对洁净室的可扩展性要求更高， 干盘管 +FFU+ 新风系统的净化系统将大量应用到 SunFAB 系统中。单晶硅电池仍将继续保持高速增长， 生产工艺将越来越多的采用半导体 IC 制造工艺技术， 而薄膜电池也将更多的应用 TFT 制造工艺技术， 对 SunFAB 洁净室的技术要求也将越来越趋近上述两类 FAB 的特征要求。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。作者介绍：崔永祥 信息产业电子第十一设计研究院有限公司成都爱德工程有限公司 副总经理高级工程师 国际 PMI 注册管理师 PMP 国家一级建造师地址：成都市双林路 251 号， 610021 EMAIL ： cuiyx@EDRI.CN 13668104856 蒋玉梅 信息产业电子第十一设计研究院有限公司工业总院副院长 教授级高工地址：成都市双林路 251 号， 610021 EMAIL ： JIANGYM@EDRI.CN 第 9 页 共 9 页EMAIL ： cuiyx@EDRI.CN