随着社会进步及工业经济的发展,人类对能源的需求日益增大。目前煤炭、石油、天然气等不可再生能源已不能满足社会经济可持续发展的需求,且在使用过程中带来的温室效应、环境污染以及生态破坏严重影响人类的生存环境。因此,世界各国不断开发可再生能源来替代煤炭、石油、天然气等不可再生能源。其中,太阳能光伏发电拥有无污染、普及面广等优点,受到世界各国的普遍重视,且各国政府已通过政策、立法等途径对太阳能光伏发电产业进行经济补贴与政策支持。目前广泛应用的太阳能电池主要有薄膜太阳电池、硅太阳电池及其它半导体材料太阳电池。其中,多晶硅太阳电池光电转换效率虽略低于单晶硅太阳电池,但因其具有生产成本低、能耗少、衰减小等优点,且多晶硅铸锭工艺技术的稳定及对原料纯度要求相对较低等优势,目前占据光伏发电产业近60%的市场份额。制约太阳能光伏发电产业发展的瓶颈主要是其光电转换效率还较低及使用成本高于常规能源,因此如何提高电池片光电转换效率及有效降低生产能耗成为世界各国关注的焦点。国内外学者前期尝试采用定向凝固原理生长准单晶的方法提高光电转换效率,准单晶电池光电转换效率接近单晶硅片且生产成本低于单晶硅,但由于硅锭一致性差、工艺不稳定及硅锭利用率低等原因未能实现普遍推广。在降低生产成本方面,国内某企业研发出一炉四锭的多晶硅铸锭炉。该铸锭炉提高了单炉的铸锭量,生产成本在一定程度上有所降低,但工艺稳定性相对较差,目前少数厂家使用该设备用于硅料提纯,由于近年来光伏发电行业市场竞争激烈,其生产风险较大,因此应用推广较少。本文着重在降低多晶硅铸锭生产能耗、保证稳定生产及提高晶体质量等方面进行系统研究,以期提高电池片光电转换效率、降低生产能耗及光伏发电成本,进而推进光伏发电产业的应用步伐。本文主要内容包括:(1)热场可视化研究:针对现有设备热效率不高,通过对多晶硅铸锭过程中硅料熔化、晶体生长、硅锭退火等各阶段进行分析研究,建立各阶段热力学数学模型及硅料导热微分方程。基于设备真实物理结构,建立三维可视化多物理场模型,采用仿真软件对物理场进行热力学仿真分析,得到加热室内温度分布规律,通过对仿真结果与试验数据进行分析比较,进而对仿真模型和边界条件进行验证和修正,提高所建立物理模型的准确性。此外,结合仿真结果,对加热室结构提出两种尝试改造方案,以增大加热室有效工作空间,对优化后热场模型进行数值计算,进而根据仿真结果指导设备改造。试验结果表明:采用第二种方案改造后设备装料重量可提高约70%,在硅锭的各项性能指标均符合技术要求的前提下,生产每千克硅锭的能耗降低约30%。(2)温控特性研究:采用阶跃响应法对多晶硅铸锭炉温控模型参数进行辨识。针对晶体生长阶段温控对象具有多变量、非线性、时变、纯滞后、大惯性及强耦合等特点,本文创新性地提出对坩埚底部中心点温度采用模糊控制器进行闭环控制,与加热体温度pid控制组成串级控制系统,通过对坩埚底部中心点温度变化进行预判和准确控制,以提高其控制精度。利用MATLAB仿真软件对所提出的模糊控制算法进行仿真设计,最终得到合理正确的控制策略。研究结果表明:在被控对象参数不确定时,自适应模糊控制在抗干扰能力方面优于常规PID控制。另外模糊控制在晶体生长阶段中对温度变化趋势进行预判,解决随机扰动对系统的影响及人工干预滞后的不足,从而提高温控系统的自适应及抗干扰能力,保证系统的稳定性和晶体质量的一致性。(3)工艺参数优化研究:基于晶体生长动力学和设备特性,对晶体生长关键工艺参数进行分析。并对全熔工艺、准单晶工艺及半熔工艺过程进行理论分析对比,分别采用全熔及半熔工艺进行试验,对不同工艺下制备的硅锭、硅片进行性能检测。结果表明:通过对设备热场和温度控制系统优化改造后试验,结果表明半熔工艺制备的硅锭晶粒大小均匀,在硅锭利用率、少子寿命及光电转换效率方面具有显著优势。本论文中热场数值计算和模糊控制仿真能够对现有多晶硅铸锭炉优化改造提供理论指导。将本文所提出的半熔工艺投入实际生产,经过近一年的规模生产。生产结果表明:多晶硅锭的各项性能均符合技术要求,良品率达到90%以上,产能及经济效益明显提高。此外,本研究为同类型设备的设计和应用提供一定参考,具有良好的应用前景。