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1、太阳能光伏产业的发展催化我国钢丝深加工技术的提升吴文晨李国府1 宋仁伯2） 袁康2）1 ）华方机电科技有限公司2）北京科技大学内容提要：本文介绍太阳能光伏产业的内涵，发展态势和太阳能晶体硅电池生产中切割钢丝在产业链中的重要性。从产业的发展提出钢丝深加工技术和装备提升的紧迫性。关键词：太阳能，晶体硅电池，切割钢丝，钢材，深加工前言随着全球气候变暖等环境问题的日益严重，开发新能源和可再生能源的意义重大。温家宝总理 在2009年12月哥本哈根气候变化会议上承诺，到2020年单位国内生产总直二氧化碳排放比2005 年下降40%45% ；2020年中国非化石能源消费总量的比重占15%。为此新能源行业在“
2、十二五规划” 中成为重要的一环，列入“战略性新兴产业规划”中的七大领域之一。2010年十月国务院发布的“关于 加快培育和发展战略性新兴产业的决定中宣布，到2020年，新能源要成为国民经济的先导产业，要 开拓更加多元化的太阳能光伏发电市场。国家关于新能源行业的种种动作和政策都表明，太阳能光 伏将在中国有大发展。1太阳能光伏的概念新能源包括水能，风能，太阳能，生物质能，地热能和核能等谓之“清洁能源”，而其中风能， 太阳能，和生物质能又称谓“可再生能源”。太阳能除了直接利用其光照热能外，最重要的是建立太 阳能光伏发电站。光伏发电最基础的元件是“硅晶体电池片”，它是由晶体硅薄片（厚度 0.16mm0.
3、10mm，边长为125mmx125mm,或156mmx156mm的单晶硅或多晶硅片）为基板，采用半 导体微电子技术，在基片上生成PN +结阵列，通过制作正，负电极，生成保护层，反射层，烧结底 板，封装而成。单个硅晶体电池片的光伏开路电压大致为0.527V（光电转换率约18%）功率2.8W，最 大光生电流5.245A （该数据有微小的差异，多晶硅其纯净度达到5-6N （ 99.9999% ），改良西门子法 生产的多晶硅达到911N（1N代表1个9）。单晶硅电池片和多晶硅电池片的性能差异是由于纯净度 引起光电换率的差异，导致最大工作电压的不同，形成产品价格的区别。但是，无论单晶和多晶硅 电池片必须
4、组成单晶硅或多晶硅的太阳能光伏组件，才能进入实用工程。1.1太阳能光伏组件太阳能光伏组件的主要参数如表1所示。表1部分单晶硅太阳能光伏组件的主要应用参数最大功率组件尺寸电池电池片数量组件净重最大工作电压最大工作电流开路电压短路电流240W1850x1069x45125x1258x12/9625KG50V4.8A60.4V5.3A240W1642x994x40156x1566x10/6025KG32.2V7.45A37.3V8.39A200W1850x1069x45125x1258x12/9625KG47.5V4.21A57.8V4.8A180W1850x808x35125x1256x12/72
5、15.5KG36V5A44.8V5.3A部分多晶硅太阳能光伏组件的主要应用参数最大功率组件尺寸电池电池片数量组件净重最大工作电压最大工作电流开路电压短路电流240W1958x994x50156x1566x12/7226KG34.4V6.98A43.6V7.65A200W1642x994x40156x1566x10/6022.5KG29.6V6.75A36.0V7.82A180W1482x992x45156x1566x19/5417 KG25.68V7.01A32.51V7.7A注：上表数据，引自江阴市福斯光伏科技有限公司产品样本1.2太阳能用户移动电源图1太阳能光伏组件多功能电源设备将太阳能光
6、伏组件转化成电能，并通过蓄电池储存，控制成为一体的多功能电源设备，如图1。它移动方便，无须敷设电线可以供驱动水泵，照明，家用电器等用途，适用草原，沙漠，农村，厂 矿，学校等电力资源稀少的地区和场所，以安全可靠。节能环保经济实用为主要特点。1.3太阳能光伏建筑一体化图2太阳能光伏建筑一体化示意图将太阳能光伏组件与建筑有机结合融合为不可分割的整体。用光伏屋面瓦（或屋顶）取代传统的建筑材料，用光伏立面墙取代传统的土木墙，如图2。光伏电能除自用外可以通过用户侧并网的方式与公共电网实现光伏建筑的绿色能源。1.4太阳能光伏电站图3太阳能光伏电站示意图太阳能光伏电站是由太阳能光伏组件，以巨大的阵列，智能的太
7、阳能光照跟随机构，智能功率 控制器控制，配套蓄电池储存并将直流电源逆变为电网工频的交流电供用户使用或输入电网，它是 高科技新型的发电系统，如图3。太阳能光伏电站是光伏组件的大宗和主要用途之一。它分独立光伏发电系统（离网）并网发电 系统和风，光互补发电系统。它的容量从几百瓦到兆瓦级（MW现在中国太阳能企业的产能规模 已经进入“G”时代，产能达到吉瓦级的能力（GM即吉瓦=1000MW=1000兆瓦=10亿瓦）。2太阳能光伏产业的发展态势到2020年中国非化石能源消费总量的比重将占15%。郑重承诺的背景，是我国巨大的光电发电 能力和应用前景。太阳能光伏发电除了使用硅晶体光伏电池片外，尚有太阳能薄膜电
8、池。后者尚有 许多技术门槛需要突破，因此我国主要以晶体硅电池的生产为发展主流。2009年我国生产太阳能光伏电池超过4000兆瓦，2010年达到7000兆瓦占到全球产量的40%。 中国生产的太阳能电池95%以上出口到国外，在产品的成本和质量上已经达到国际水准，具有较强 的国际竞争力【1】。进入2011年甚至在5年内欧洲市场的绝对需求量还会增加，但增速会下降。2010 年欧洲占约80%的市场，20142015年之间欧洲市场的占比将随着美洲，亚太市场的崛起而下降到 50%左右。亚太市场因为人口众多，能源需求旺盛市场规模占比将扩大到20%25%的局面。2015年 以后会进一步扩大，到2020年甚至可能
9、到30%50%之间【2】。为了大力推广国内太阳能的应用国家出台了一系列有利于光伏产业的政策，如“可再生能源法” 和“可再生能源中长期规划”，从法律和和战略层面对我国太阳能光伏产业的整体发展规划作了明确 的规定。在一系列利好政策的引导下我国光伏产业的应用市场将迅速扩大，我国的装机容量2010年 预计将超过500兆瓦（MW）【3】。目前国家中长期规划中，可再生能源发电2020年要达到总装机容量2000万KW （2万MW）的 发展目标，也就是说每年至少需要发展100多万KW（1000MW）装机容量的可再生能源发电系统。 晶体硅片是制作光伏太阳能电池的主要材料，根据计算，每生产1MW的太阳能电池组件需
10、要17吨 左右的晶体硅原料。表2 2005-2015年多晶材料产量预测（万吨）年2005200620072008201020 120132015电子级多晶疏eg1饵1,922.152.42.87323太田能级多晶硅SG洁224.359.612.4422.1336.77合计324.5.06.5215254()绿色能源的推广和近年来半导体产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡。硅原料的 供不应求，切割加工能力的落后和切割钢丝供应的严重不足造成了产业链的瓶颈，严重阻碍了我国 太阳能和半导体产业的发展。因此，未来的3至5年间，将是中国晶硅产业快速发展的黄金时期， 如表2所示。切割晶体硅片的多线锯
11、用切割钢丝的强烈需求更催化了高级钢丝生产技术水平提升和 新装备的开发。3晶体硅电池的业产链光伏产业链是一条从上到下的垂直庞大的链条：硅料-晶体硅棒-多线锯切割-硅片-晶体硅片 光伏电池-光伏组件一系统安装。其中硅片切割，就是在研磨液配合下，用高强度超细切割钢丝将单晶硅或者多晶硅的固体硅锭锯成片状，如图4所示。图4硅片切割过程图5多线切割机在切割晶体硅片现代多线切割机，可有1000条切割钢丝相互平行地缠绕在导线轮上形成一个切割网，马达驱动 导线轮使整个切割网带着超精细碳化硅粉高速移动，进行研磨切割，如图5。一般机上的晶体硅棒 需要78工作小时才能完成。切割时必须精确控制切割钢丝直径、切割速度和总
12、的切割面积，在硅 片不破碎的情况下，使切割出的硅片厚度一致，并缩短切割时间。太阳能光伏电池片最为核心的两 大技术指标就是电池片的厚度和光电转换效率，都取决于切割的工艺技术和晶片的表面质量。所以 晶体硅片的切割成为产业链的关键环节。4多线锯用切割钢丝的技术特点和钢丝深加工综合技术提升的紧迫性切割钢丝是高级钢丝，它作为多线锯的磨料载体。在电子行业和太阳能光伏电池生产中是将硅 锭切割为晶片的关键一次性的消耗材料。我国长期以来均依靠进口和国内的跨国公司提供。随着太 阳能光伏产业的爆发式增长，由于切割加工能力的落后和切割钢丝供应的严重不足构成了产业链的 “瓶颈”。4.1切割钢丝技术性能的特殊要求4.1.
13、1超细的高强度镀层钢丝切割钢丝与普通高碳钢丝相比，性能指标高于琴钢丝。对于以硅片为基底的光伏电池来说，晶 体硅原材料和切割成本在电池总成本中占据较大部分。为了节约晶体硅原材料，降低成本光伏电池 硅片的厚度从原来的0.33mm降低到了 0.18mm0.22mm ,这个趋势还将继续。现在切割钢丝直径已 经从原来的0.18mm0.16mm降低到0.10mm0.14mm，甚至硅片厚度将变成0.10mm0.08mm。以 期在同样的硅块上切割出更多的硅片，提高产量，同样可以减少了晶体硅原料的用量。所以，生产 超细规格的优质高碳镀层钢丝，迫切需要金属制品行业对钢丝深度加工技术的创新与提升。4.1.2超高的抗
14、拉强度和超长度定尺的精密卷绕由于晶体硅棒上所有硅片都是同时切割。切割网以525 m/s的速度走线，切割中途发生断丝， 则需要退出硅棒，重新二次切割。两次切割的误差，会使切割部分的硅片产生台阶或厚薄不均匀， 甚至产生废次品。因此，切割钢丝的短尺或中间断丝都是切割中禁止的。由于切割钢丝是作为碳化 硅研磨浆料的载体而连续高速走线需要连续研磨78个小时完成切割。所以钢丝必须具有3600MPa 以上的抗拉强度。此外超长度定尺，每盘的定尺长度，一般为：250Km，450Km和精密排线、工字 轮收卷的品质高等。这极高的质量指标，迫使金属制品生产企业从装备，工艺，管理等方面更新， 才能满足太阳能光伏产业发展的
15、需要。4.1.3需要用规模型的产业化精细生产方式满足晶体硅的切割需要切割钢丝是硅棒切割成硅片的必要消耗性材料。初步计算切割硅锭的重量和消耗切割钢丝的重 量比为1 ： 0.8。据资料显示，2010年多晶硅产量12万吨。按80%用于光伏产业切割片成硅片电池 的基材，则需要9.2万吨切割钢丝。根据目前理想的工艺条件，拉制9 0.12mm的切割钢丝的成品线速度为15m/s18m/so从上的统 计看出：切割钢丝的生产，无论从资金，装备的投入，工艺流程，原材料，模具，润滑管理，人员 的素养提高等各个环节都将是全新的课题，有待创新与提高。4.2切割钢丝的技术指标钢丝原料要求是B92Lx，B86Lx，1090等钢帘线专用盘条，原材料的晶粒度和夹杂物等应符 合洁净钢的标准。
