【摘要】：能源的缺乏和環(huán)境的惡化給現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn),可再生新能源的發(fā)展已迫在眉睫。作為主要的可再生新能源,太陽能光伏發(fā)電技術受到了廣泛的關注并飛速發(fā)展,全球太陽能光伏安裝容量急劇增長。多晶硅是太陽能光伏發(fā)電的主要原材料,其生產(chǎn)工藝主要有冶金法、流化床法和西門子法。由于西門子法的產(chǎn)品純度高、工藝成熟,是當前國內(nèi)外的主流生產(chǎn)技術,然而該工藝的高能耗和高生產(chǎn)成本是阻礙其發(fā)展的兩個主要因素,解決此問題是提升西門子工藝在多晶硅市場競爭力的關鍵。增大硅棒最大沉積半徑可降低多晶硅生產(chǎn)能耗,然而由于硅棒內(nèi)部溫度梯度的存在,會發(fā)生熔硅現(xiàn)象,并且在熱應力的作用下發(fā)生倒棒現(xiàn)象。增大硅棒數(shù)和優(yōu)化硅棒排列,也是降低多晶硅生產(chǎn)能耗的有效方案。因此本文系統(tǒng)的研究了不同西門子還原爐(12對棒和24對棒)內(nèi)的熱量傳遞現(xiàn)象,并提出分布式仿真模擬的方法耦合硅棒表面熱損失和硅棒的電流加熱模型,建立硅棒電加熱(直流電和交流電)模型。然后耦合熱應力模型,建立了硅棒的電-磁-熱-應力的耦合模型,最后對能耗進行了分析,并得到降低能耗的方案,主要開展的研究及取得的結(jié)果如下:(1)提出描述硅棒數(shù)和西門子反應器內(nèi)空間面積的無量綱X-H(定義為nδ),對描述西門子還原爐結(jié)構(gòu)無量綱(d/L和X-H)和操作條件(Ra)無量綱參數(shù)與對流傳熱無量綱(Nu)之間的關系進行了無量綱分析,擬合得到西門子還原爐描述對流傳熱的關聯(lián)式:Nu/Ra0.584(d/L)-0.366=0.00003(X-H)(10)0.00039,并驗證了關聯(lián)式的有效性。結(jié)果表明,預測值與計算結(jié)果的平均相對誤差分別為1.4%、3.2%,說明經(jīng)驗關聯(lián)式可有效的預測對流傳熱。。并通過研究得到當Ra大于1.4×10~7,d/L大于0.04及X-H大于3.0時,對流傳熱量均有顯著增加。(2)建立了西門子還原爐DO輻射模型,通過12對棒西門子還原爐工業(yè)數(shù)據(jù)對模型進行了驗證,相對誤差為7.1%,最大相對誤差為8.3%。應用模型研究了硅棒沉積半徑對輻射熱損失的影響,結(jié)果表明對于外環(huán)硅棒,隨著硅棒沉積半徑的增大,輻射熱損失逐漸增大;對于內(nèi)部硅棒(12對棒西門子還原爐的內(nèi)環(huán)硅棒,24對棒西門子還原爐的內(nèi)環(huán)和中環(huán)硅棒),棒輻射熱損失隨著硅棒沉積半徑的增大先增大后降低,存在一個極值。隨著反應器壁輻射率的增大,西門子還原爐內(nèi)輻射熱損失逐漸增大,并且西門子還原爐內(nèi)的內(nèi)環(huán)硅棒(12對棒和24對棒)和/或中環(huán)硅棒(24對棒)輻射熱損失出現(xiàn)極大值時的硅棒半徑逐漸增大。(3)建立了硅棒的電流加熱(直流電和交流電)模型,并通過工業(yè)操作的電流曲線驗證了模型的有效性。對于12對棒西門子還原爐,內(nèi)環(huán)相對誤差為4.89%,外環(huán)相對誤差為4.76%;對于24對棒西門子還原爐,內(nèi)環(huán)硅棒相對誤差為7.55%,中環(huán)硅棒相對誤差為5.55%,外環(huán)硅棒相對誤差為7.43%。應用硅棒的電流加熱模型研究了12對棒和24對棒西門子還原爐內(nèi)硅棒熱電行為(包括溫度分布、電流密度分布、熱應力分布、電流-電壓操作曲線等),結(jié)果表明:當應用電流加熱硅棒時,硅棒內(nèi)部存在一個溫度梯度,隨著交流電頻率的增大,硅棒中心溫度越低;當采用直流電加熱硅棒時,硅棒內(nèi)部的電流密度幾乎相同;當采用交流電加熱硅棒時,硅棒內(nèi)部形成一個硅棒表面電流密度高梯度。獲得了不同環(huán)上硅棒的電流-電壓操作曲線,當硅棒半徑較小時,在不同交流電頻率下,提供給硅棒的電流幾乎相同;隨著硅棒半徑的增大,外部硅棒所需要提供的電流大于內(nèi)部硅棒。(4)提出一種新穎的多晶硅還原爐“直流-交流混合電流加熱”方式,當硅棒半徑小于7 cm時,采用直流電加熱,當硅棒半徑大于7 cm時,采用交流電加熱。將直流電源切換為交流電源對內(nèi)環(huán)硅棒繼續(xù)加熱時,需要提供的電流強度要低于直流電源所提供電流強度,并且隨著交流電頻率的增大,需要提供的電流強度越低。但是所需要的提供的電壓大于直流電,并且隨著提供電源的交流電頻率的增大,自感電阻和互感電阻都增大,所需提供的電壓增大。對于西門子還原爐,外環(huán)硅棒的電流強度和電壓大于內(nèi)部硅棒(12對棒內(nèi)環(huán),24對棒內(nèi)環(huán)和中環(huán));而且對于24對棒西門子還原爐,中環(huán)硅棒的電流強度和電壓大于內(nèi)環(huán)硅棒。(5)采用直流電加熱硅棒(最大沉積半徑為7 cm)時,12對棒西門子還原爐多晶硅平均單位能耗為55 kWh/kg Si,24對棒西門子還原爐為49 kWh/kg Si;采用混合電流加熱硅棒(最大沉積半徑為10 cm)時,12對棒和24對棒西門子還原爐多晶硅平均單位能耗分別為:44 kWh/kg Si和38 kWh/kg Si。隨著硅棒最大沉積半徑的增大,多晶硅的平均單位能耗逐漸降低。24對棒西門子還原爐的平均能耗低于12對棒西門子還原爐。通過以上分析可以為多晶硅的節(jié)能降耗提供兩條思路:增大多晶硅最大增長半徑和增大多晶硅還原爐內(nèi)硅棒數(shù)。
【圖文】：

理工大學博士學位論文 西門子還原爐內(nèi)傳熱及硅棒熱電行為仍達不到總市場 1%的份額（圖 1.1），值得注意的是冶金法由于其生產(chǎn)成本低、、生產(chǎn)操作較安全、能耗低等優(yōu)點，曾經(jīng)得到了廣泛的關注和研究[21]。但是其產(chǎn)今仍然無法得到光伏市場的認可，從而導致此方法的使用或研究從最初的幾十家有幾家公司，并且主要集中在日本和中國[22]。

圖 1.4 國內(nèi)外多晶硅產(chǎn)量Fig. 1.4 The Domestic and foreign production of polysilicon多晶硅生產(chǎn)工藝1 冶金法冶金法起源于 20 世紀 70 年代，為了降低電子級多晶硅的生產(chǎn)成本，開發(fā)冶金級
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.2

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本文編號：2650142