光伏电池工厂特气系统设计浅析

摘要：随着光伏产业的快速发展，太阳能光伏电池片制造产业迅速扩张。作为光伏电池片生产中安全性要求最高的厂务设施，特殊气体供应系统的安全稳定运行至关重要。本文结合实际项目，分析光伏电池工厂特气供应系统的设计要点，为设计和建设人员提供参考。

关键词：光伏、N型TOPCON电池、特气系统

0  引言

在2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”双碳目标的推动下，我国新能源光伏产业迎来高速发展期，成为国家促投资、扩内需、稳增长的重要政策工具。目前，我国光伏发电累计装机规模约4.7亿千瓦，已超过水电成为第二大电源和重要可再生能源。

光伏产业链中游的太阳能光伏电池片制造工厂涉及诸多厂务设施系统，包括洁净空调及冷热源系统、工艺冷却水系统、特气系统、大宗气体系统、化学品系统和供配电系统。其中，特气系统因安全性要求最高而备受关注。随着单厂电池生产产能从500MW~1GW迅速提升至5GW、10GW、15GW乃至20GW，特气的大量存储和使用增加了安全风险，其安全运行成为光伏电池工厂的关注重点。

1  光伏电池生产工艺及特气

1.1 光伏电池生产工艺

光伏电池的工作原理基于光生伏特效应和PN结。通过将单/多晶硅片加工成半导体薄片，太阳光能被转化为电能，即光电效应。电池片是光伏发电的核心部件，其技术路线和工艺水平直接影响光伏组件的发电效率和使用寿命。

目前市场主流的光伏电池为N型TOPCon（(Tunnel Oxide Passivating Contacts)）电池，即遂穿氧化层接触电池。该电池采用N型硅片衬底，在背面制备1-2nm的遂穿氧化层，并沉积掺杂多晶硅，形成钝化接触结构，从而提高电池性能。

图1  N型TOPCON电池结构示意图

N型TOPCOn电池在制备隧穿氧化层钝化接触结构的生产工艺段，主要采用两种技术路线，即LPCVD本征+磷扩和PECVD原位掺杂。下图为LPCVD本征+磷扩路线的主要工艺流程。

图2  N型TOPCON电池生产工艺流程

1.2 特气

特气是指在半导体、光伏电池等产品生产过程中，在外延、化学气相沉积、刻蚀、掺杂等生产工艺中使用的具有自燃性、易燃性、剧毒性、毒性、腐蚀性、氧化性、惰性等理化性质的特殊气体。

N型TOPCON电池生产工艺中，硼扩散掺杂、LPCVD（低压化学气相沉积）、磷扩散掺杂、ALD（原子层沉积）、PECVD（等离子化学气相沉积）正反面镀膜等工序使用特气作为生产原辅料。使用特气见表1。

表1 N型TOPCON电池生产使用特气

2  特气供应系统

特气供应系统用于特气的存储、输送、分配过程，主要设备包括储存、供气的大宗气体供应柜（BSGS）、气瓶柜（GC）、气瓶架(GR)、集装格(Bundles)、卧式气瓶(Y型钢瓶、T型钢瓶)、集束管拖车（Tube trailer）、液态气体槽车（ISO Tank）；气体分配用阀门箱（VDB、VMB）、阀门盘（VDP、VMP）；辅助氮气吹扫系统(Purging system)；尾气处理装置（Local Scrbber）等。

产能≥5GW的电池工厂，特气使用需求量和储存量远大于500L。因此相应的特气供应系统需采用大宗特气系统、液态特气系统，大宗硅烷系统。特气供应系统的工艺设备组成见表2。

表2 特气供应系统工艺设备组成

3  特气站房总体规划

3.1 特气站房单独设置的评判

根据《特种气体系统工程技术标准》（GB 50646），特气供应设备应设在独立气体站房或生产厂房内的特气间。对于产能≥5GW的电池工厂，特气储存量均超规范最大允许值，需在厂区内独立设置气体站。

三氯化硼和三甲基铝分别属低压蒸汽型和液态输送特气，其输送距离有最大安全输送距离要求，特气辅房须靠近工艺机台，且存储量不超过1昼夜使用量。

3.2 总平布置原则

1）特气站建筑物类别应满足《建筑防火设计规范》GB50016要求，见表3

表3特气站房建筑物类别

2）特气站与周围建筑物、道路的防火间距应满足规范要求，需注意甲类站的防火间距要求。

3）特气站应远离明火和火花源，避免靠近人员密集区和主干道，宜设在全年最小风频的上风侧。特气站区域应方便气体槽车和消防车辆的进出和通行。

4）硅烷站和氨气站的尾气处理室外装置区，与周边建筑物的设计防火间距应以室外装置的外边缘为界。由于特气系统设备布置通常由专业分包进行承接，设计院进行总平布置时未考虑而遗漏。

5）氨气站内以液氨的形式进行存储，为避免氨气泄露，应设置室外事故水收集池，水池容积应满足当站内一个液氨储罐完全泄露采用喷水方式吸收时需要的最大吸收量。

6）特气站布置在厂区角落时，需重点关注厂外高压电线、道路等级、相邻企业性质及埋地架空管道特性，确保特气站房位置满足厂外设施防火间距要求。根据《精细化工企业工程设计防火标准》(GB 51283)，甲乙类液体储罐、可燃气体储罐、甲乙类生产设施与厂外架空高压线的防火间距应不小于1.5倍塔杆高，甲乙类仓库亦同。高压线电压越高，防火间距相应增加。项目总平方案规划时应充分考虑这些要求，避免后期调整困难。

4  特气站房土建设计

特气间根据特气性质分为易燃性气体间、毒性（腐蚀性）气体间、惰性（氧化性）气体间、剧毒性气体间，且相互独立设置。不相容的特气不应布置在相同房间内。特气站应进行建筑防火分区的计算和划分，满足建筑防火设计规范的相关要求。

特气站内气体存储设备间与输送气柜间应分开布置，电气控制室设在站房内的独立房间。甲乙类特气站（如硅烷、氨气）需设独立报警阀室。面积超100m²的特气站应设两个安全疏散出口。

大宗硅烷系统应设独立开敞式建筑，并按防火设计规范计算泄爆面积。液氨槽车供应的氨气站需设地磅坑及四周喷淋水收集地沟、应急收集坑和室外应急池。TMA间宜邻近尾气处理间。采用通行集束管车或槽车作为气源的硅烷、氨气、笑气站大门宽度不小于5m，高度不小于4.5m。

特气站的结构形式宜采用单层钢筋混凝土或钢框架、排架结构，顶棚为泄爆顶。墙体及钢框架、排架结构应采用防火保护措施，耐火极限不得低于3h。

5  特气站公辅设施设计

5.1 暖通空调系统

特气站内应设置一般机械通风和事故通风；特气气柜、阀门箱的设备排风系统宜单独设置；氨气站的排风应排至室外洗涤塔处理后排放；三甲基铝和三氯化硼的设备排风应经就地尾气处理装置进行处理后排放。

硅烷站通风机采用防爆风机，氨气站通风机采用防腐防爆风机，风机电源应设置应急电源。排风管道、空调风管应采用不燃材料，保温应采用不燃或难燃材料。风机和风管应设置静电接地装置。

5.2 给排水及消防

硅烷站、氨气站应设消防自动喷水雨淋系统，并确保喷淋头覆盖整个槽车。特气站均需设一路消防喷淋水管和信号阀，满足大宗输送气柜内自动喷水冷却使用要求。氨气站室外设紧急冲身洗眼器，并按规范配置消火栓和手提灭火器。室内应急收集坑或室外应急收集池内设废水提升泵（耐酸碱液下泵），将应急排放废水提升至废水站。

5.3 厂务氮气需求

厂务5N纯度氮气管道需在特气站房预留一个接口，作为气动阀门和文丘里真空发生器的动力气源。特气各设备的吹扫气源采用现场的高低压氮气钢瓶供气

5.4 硅烷站、氨气站电气系统需求

特气站为2区危险环境爆炸场所，配电柜、配电箱、灯具及开关、控制按钮、设备电动机均选择防爆型，防爆等级为ExdIIAT1 Ga。

按二类防雷建筑标准设计防雷措施（防直击雷、防雷电感应、防雷电波侵入、设屋面避雷针），采用综合接地系统。设置应急照明。特气站房主要入口设静电消除装置。

6  特气管理系统和特气侦测系统

特气管理系统GMS（Gas Management System）由气体探测系统、应急处理系统给、工作管理系统给、监视系统、数据传输与处理系统组成，是特气安全管理与监控系统的统称。

特气侦测系统GDS（Gas Detector System）由监控电脑（上位机）、PLC控制柜、泄漏侦测器、UV/IR（火焰侦测器）、声光报警系统、紧急切断系统、UPS供电等。气体侦测器设置在特气使用工艺机台环境区域、生产工艺机台的气体接入阀门箱机排气管内、气体储罐区域、气柜和阀门箱的排风管口处、尾气处理设备排风口处、气体输送管道覆盖区域、惰性气体间，通过检测本质气体或关联气体在空气中的浓度来判断本质气体的泄露，从而发出声光报警信号、提供探测数据。

7  其他设计要求

7.1特气系统管材及阀门技术要求详见表4

表4特气系统管道技术要求

7.2 特气管路敷设要求

特气主管道从特气站经室外管廊架空敷设至电池生产车间的VMB，再由VMB各支路连接至工艺设备。

根据规范，硅烷、氨气、一氧化二氮、三氯化硼和TMA管道分别属于自燃性、易燃性和毒性特气管道，车间内均采用明敷方式。易燃性和氧化性特气管道需静电接地。

8 结束语

随着光伏产业的高速发展，特气供应系统的安全稳定运行对光伏电池制造企业的安全高效发展至关重要。因此，应重视特气供应系统的设计与建造，确保其安全性，降低生产安全风险，防止重大人员和财产损失。

9 参考文献 

中华人民共和国工业和信息化部. 特种气体系统工程技术标准：GB 50646-2020[S]. 北京：中国计划出版社，2020

作者简介：

 刘采峰  男  1976.12  汉族 重庆市 硕士研究生  高级工程师  研究方向：高科技工厂设计和建造