薄膜太阳能电池工厂的设计

薄膜太阳能电池工厂的设计

夏双练

摘要：薄膜太阳能电池生产工厂的建筑设计应充分了解其生产工艺，并从总图，生产车间布局、消防设计以及外观设计等多方面综合考虑。在设计过程中不断研究总结，才能更好的完成设计，使其发挥最大的综合效益。

关键词：电子工程，薄膜太阳能电池，新能源，工程设计。 

中图分类号：TK519

文章编号：1000-0755(2019)01-0034-03

中文引用格式：夏双练.薄膜太阳能电池工厂的设计[J].电子技术, 2019, 48(01): 34-36.

Design of a Thin Film Solar Cell Factory 
XIA Shuanglian

Abstract — The architectural design of thin-film solar cell production plant should fully understand its production process, and comprehensively consider the general layout, production workshop layout, fire protection design and appearance design. In this paper, in the design process of continuous research and summary, in order to better complete the design, so that it can play the largest comprehensive benefits. 

Index Terms — electronic engineering, thin film solar cell, new energy, engineering design. 

0  引言 

薄膜太阳能电池是继第一代晶体硅太阳能电池技术之后的第二代太阳能电池。与晶体硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有弱光性能好、温度系数低、能量回收期短、易于实现建筑光伏一体化（BIPV）的绿色建筑理念等诸多优秀的性能和特点。由于薄膜太阳能电池生产需要在大面积衬底材料沉积（或蒸镀、溅射）多种金属和非金属薄膜，因而会使用多种危险和有毒气体且使用量巨大，对厂房防火、安全设施等的设置都提出了很高的要求，且薄膜太阳能电池大批量生产线大多采用连续生产线布置方式，工艺设备体型巨大，对厂房设计带来一定的困难和挑战。笔者近年来有幸参加了国内多个大型非晶硅薄膜太阳能电池生产厂房的主持与设计工作，并有幸参加了《薄膜太阳能电池生产工厂设计标准》的编制工作，故将设计体会予以总结，并以“某薄膜太阳能电池工厂项目”为例，按“总图、生产车间的平面布局、消防设计、外观设计”四大部分对此类厂房的难点，重点加以阐述，旨在抛砖引玉，与广大同行共同探讨，共同进步。

1  总图设计

薄膜太阳能电池工厂通常由生产区、仓储区、动力辅助区、气体站、办公研发区等组成。根据工艺流程的要求安排合理的功能分区是总平面成败的关键。

厂区的规划应围绕生产区的布置展开，薄膜太阳能电池生产工艺线通常有“一字型”和“U字形”两种形式。“一字型”工艺的原料和成品仓库往往分设于生产线的两端，“U字形型”则因其回转的工艺布置将成品库与原料库设与生产车间的某一端。根据工艺布置形式设置原料仓库和成品仓库的位置，能大大减短物流流线，降低物流成本。

动力站房是整个厂区的“能源中心”，动力站通常包含了“冷冻机房，空压机房，废水处理站，纯水制备站，变电站”等众多功能。大型动力站应靠近负荷中心独立设置，使各类管线能便捷有效的输送到各使用区域。

生产中需要使用的甲乙类气体，均采用储罐、气瓶、管束车等布置在“大宗气体、特种气体站”内，该气体站与厂房应设有大于30m的安全距离，并应设置在全年最小频率风的上风侧。

2  生产车间的平面布局

  2.1 洁净车间平面规划

生产车间的平面布局应根据工艺流程的需要而设置，通常由中间暂存区，生产区和两侧的动力辅助区构成。

其中，生产区域的70%以上为洁净生产车间，因此以下将着重叙述此类生产厂房的洁净室设计。

薄膜太阳能电池生产厂房的洁净车间通常为（1万级～10万级，即ISO7～8级）。由于洁净室的含尘量将直接影响到产品的成品率，因此合理的功能分区和清晰不交叉的人净、物净路线设计是成败的关键。此类生产车间通常由“非洁净区、准洁净区和洁净区”构成。

我们将研发区，仓库区及生产工艺中的玻璃清洗区、层压区和包装区设置在“非洁净区”。其他生产工艺从一次激光刻线—EVA膜敷设都必须在“洁净区”内完成。洁净区与非洁净区之间的员工走道（也做参观）即为“准洁净区”成为两个区域之间的过渡区域（洁净等级30万级，ISO8.3级）。

此类厂房一般由供应商提供配线方案，因此各项主要设备会因采购的不同而造成各种动力需求的变化。设计之初，某些产品的组成、大小、重量等设计参数尚不明确。因此，洁净车间建筑平面布局、管线布置都必须具有一定灵活性，并应考虑生产工艺改造和扩大生产规模带来的影响。本车间的主体部分采用了“大跨度钢筋混凝土柱网+轻钢屋面”的结构形式，为工艺布置和今后发展提供较大的灵活性和便利性。

技术夹层是洁净室竖向空间重要的组成部分，它可以设置在生产区的上方或下方。薄膜太阳能电池厂房的技术层通常设置在吊顶上方，各类机电管线密集，因此技术夹层的净高有时甚至高于生产车间的净高。吊顶平面至屋顶平面从下至上依次设置“下喷淋系统管道—强电桥架—弱电桥架—动力管线—工艺排风管道、消防排烟管道、—空调送回风管道—上喷淋系统管道”等。特气管道因其特殊性，按规范要求必须在吊顶下方明敷设置。

  2.2 人净与物净流线设计

生产人员本身是一个是主要的污染源，为了避免生产人员把外部的污染物带入洁净室，应组织有效的人员路线。雨具存放、换鞋、管理、存外衣、更洁净工作服是人员净化路线的基本组成部分，简称为“人净路线”。

本项目在大厅附近设置雨具存放，换鞋区，厕所及外衣存放区（亦称“一次更衣区”），旨在将“严重污染”隔离在出入口处。这些区域统称为“非洁净区”。接着生产人员进入“二次更衣区”更换洁净服后到达“员工走道”即风淋室前的缓冲区，这些区域我们统称“准洁净区”。此区域应对于入口侧的一次更衣等其他房间保持正压。最后人员通过风淋室进入洁净车间。

参观人员亦须经过专设的换鞋-更衣到达参观走道。参观走道沿生产区北侧通长设置，并在墙面上配置了大面积双层玻璃窗，方便参观人员浏览整个工序的生产过程。

各种物流在送入洁净车间前也必须经过净化处理，简称“物净”。本项目的物料由车间东侧的原料库区收发接收、拆包预装，经货物风淋区进入洁净室。小型物件则通过“传递窗”进入洁净车间。

“人净路线”和“物净路线”应分开设置，同时内部人流、物流的污、净交通流线应清晰，避免交叉重叠。

3  消防设计

任何工业厂房的设计首先应确定其火灾危险性分类，本文认为本厂房生产的主工序为“等离子增强化学气相淀积”(PECVD)。由于《电子工业洁净厂房设计规范》GB50472-2008附录B“电子产品生产间、工序的火灾危险性分类举例”中电子工业工厂的化学气相沉积(CVD)间的分类明确为“丙级”。并且薄膜太阳能电池厂房的PECVD区域较大，往往占整个生产车间面积的10%以上，故根据《建筑设计防火规范》GB 50016-2014中3.1.2条的规定将该类本厂房的火灾危险性类别定为“丙2类”。

薄膜太阳能电池大批量生产线大多采用连续生产线布置方式，工艺设备体型庞大，因而生产车间的面积也十分巨大。本项目生产区面积为28 800m2（320m×90m），其中洁净区域占整个生产区域的72%，约20 000m2，整个建筑物的占地面积达到了43 200m2(360m×120m)。

洁净室的特点为：空间密闭，火灾发生后，烟量特大，对于疏散和扑救极为不利。同时由于热量无处泄漏，火源的热辐射经四壁反射室内迅速升温，大大缩短全室各部位材料达到燃点的时间。而且此类建筑外墙仅设消防救援窗，室内发生的火灾往往一时不容易被外界发现，发现后也不容易选定扑救突破口。因此，大型的洁净室，连续的工艺生产线以及曲折的平面布置给消防设计大大增加了难度。汇总本项目主要技术难点和解决方案如下。

（1）难点1：该建筑东西向为360m,建筑总长度大于220m。因工艺要求，无法在建筑内部设置能穿越的消防车道。

解决方案：根据多个同类厂房的设计经验，以及与当地消防部门协商确定：在加强企业内部管理和监督，加强消防设施的设置以及增加建筑安全出口的前提下，在生产厂房周围设置环形消防车道。

（2）难点2：洁净室面积大，疏散路线曲折，且因工艺布置的需要，个别生产人员（20人左右）被包围在生产设备之中，只能通过跨越设备的专用钢梯进入。钢梯的设置也使得疏散距离也变得更加复杂。

解决方案：由于设备的连续布置和围绕封闭布置，部分人员必须通过工作钢梯疏散。按钢梯水平投影的1.5倍计算疏散长度。并对工作钢梯做好防火处理，确保平台和梯段的耐火极限均大于1.5小时。本着对业主和生产人员负责的态度，设计过程中我们与消防咨询部门合作，采用国际通用的FDS+EVAC软件，建立人员疏散模型（见图1、图2），进行计算机模拟测试复核，测试结果达到预期设计效果：所有人员均能在5min内到达安全出口。

（3）难点3：PECVD区生产过程中需要使用大量的甲乙类气体如：氢气、三甲基硼、硅烷等。这些气体通过干泵间内的气体阀门箱（VMB），经VMB分支管路再输送至PECVD设备的气路柜，进入PECVD反应室。因工艺需要干泵间设置于建筑内部，无法沿外墙布置。因此干泵间的消防安全设计成了争论的焦点。有些专家认为，干泵间仅为气体输送，而特殊气体站已在总图中独立设置。而真正使用该气体的PECVD区已被明确定义为丙类，故此房间不需要考虑防爆设置。

本文认为，等量的同一爆炸介质在密闭的空间里和在开敞的空地上爆炸，其爆炸威力和破坏强度是不同的。在密闭的空间里，爆炸破坏力将大很多。本项目的干泵区虽仅为气体分配，但仍是气体集中输送的场所，加强安全措施十分必要。因此，本项目中干泵区域的墙体采用配筋砖墙，并将此间的墙体升出大屋面，设置成独立的轻钢龙骨彩钢板小屋面，为此区域提供一定的泄压面积。除设置机械全室通风外，气体阀门箱自身必须配置单独的排风装置、且配备有电化学式气体泄漏探测和自动关断装置；烷类气体和氢气管路更应采用“双套管”（内管输送气体、外管为保护管），两层管道之间抽真空。当内管有气体泄漏或者外管损坏时，引起压力变化，压力传感器立即将信号传送给自动关断装置和TGM值班室。可靠的建筑构造加上设备自身的安全措施（气体系统全面完善的泄漏探测、自动关断等），以及气体厂商的24h驻厂服务（TGM），最大限度确保此类厂房的安全性。

4  外观设计

现代化的工厂的立面设计早已摒弃以前“只重功能，忽视外观”的传统观念。在经济适用的前提下，美观变得同等重要，它是企业文化和企业形象的直接体现。如何把工业产品与外观设计相结合是我们设计师值得深思的问题。

入口设计是整个建筑外观设计的重心,为体现薄膜太阳能电池工厂的高科技和时代性，笔者在主入口处设计了一道半径为100m的弧形墙,采用金属铝板和玻璃幕墙相结合。金属光泽的铝板和蓝灰色的玻璃幕墙虚实互补，相映成辉，显得格外简洁、大气。弧形墙向外成环抱之势，寓意着企业“海纳百川，包容接纳一切困难的决心”。同时玻璃幕墙使建筑内部更加通透、富有光影变化，并将室外的绿化景观引入室内，增添了室内活力。弧形墙体这个富有动感的元素打破了以往厂房“方盒子”的传统观念，使得整个建筑生动活泼起来。一个宽约10m，长约35m的巨型钢雨篷横跨于入口道路之上。三个连续的弧线成“飞鸟”之势，既与弧墙形相互呼应，同时又预示着企业“腾飞向上”的精神（见图3）。生产厂房其他立面的墙体为与主入口弧墙在材质上有机统一，并充分考虑经济性，采用了仿金属涂料模拟铝板效果。

建筑造型是建筑内部空间的外部反应，两侧二层的动力辅房与中间的主体生产厂房形成了建筑物的错落有致，让人充分感受到工业厂房因顺从工艺而带来的内在秩序。

5  结语

薄膜太阳能电池生产工厂的建筑设计应充分了解其生产工艺，并从总图，生产车间布局、消防设计以及建筑外观等多方面综合考虑，并在设计过程中不断研究总结，才能更好地完成设计，使其发挥最大的综合效益。

参考文献

[1] GB50073-2013 洁净厂房设计规范[M].北京:中国计划出版社,2013.

[2] GB50472-2008 电子工业洁净厂房设计规范[M].北京:中国计划出版社,2009.

[3] 许钟麟.洁净室及其受控环境设计[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4] GB51370-2019 薄膜太阳能电池工厂设计标准[M].北京:中国计划出版社,2019.