光伏产业的发展使得对硅材料的需求日益增加, 同时硅单晶生产行业竞争也日趋激烈。作为生产硅单晶的重要装备, 单晶炉的稳定性和可靠性关系到硅单晶生产效率的提升和成本的下降, 因此其驱动系统的设计和优化成为装备制造的关键环节。本文以NVT-HG2000-V1型硅单晶生长炉的驱动系统为研究对象, 用SolidWorks三维建模实现虚拟装配, 采用ADAMS建立其动力学仿真模型, 并对驱动系统的运动过程进行仿真模拟。采用控制变量法定量分析了铜套与升降轴的配合间隙及丝杠参数对驱动力和驱动力矩的影响规律, 进而在提高硅单晶生长炉装备稳定性和可靠性方面给出合理的技术建议。结果表明, 铜套与升降轴的配合间隙达到0.071 mm后能有效降低驱动系统运行所需驱动力矩, 丝杠倾斜度、螺纹螺距与螺纹间摩擦系数的增大均会导致驱动系统运行所需力矩大幅增加。

随着光伏行业的快速发展, 对硅单晶的品质和长晶装备的稳定性的要求也不断提高。直拉法是生产硅单晶的主要方法，通过提高单晶炉副室的高度以扩大单晶硅的生产规模。由于副室高度的大幅增加，且单晶炉提拉头质心相对于旋转轴心有一定距离，对单晶炉整体稳定性有较大影响，从而降低了单晶硅的生产质量。针对此问题，对单晶炉建立可靠的力学分析模型，采用数值仿真方法，对单晶炉整体进行动力学响应分析，计算得到副室高度增加后的单晶炉工作时中钨丝绳下端晶棒的运动规律以及最大摆动幅度，为改进设计提供依据。数值仿真分析表明提高单晶炉副室高度后，提拉头较大的质心偏心是单晶炉提拉系统发生摆动的主要原因。在此基础上提出在提拉头上添加质心调节装置，通过控制系统调节可保证提拉头质心位置在旋转轴线上以降低提拉系统的摆动。

直拉法硅单晶生长是一个多场多相耦合、物理变化复杂，且具有大滞后和非线性现象的过程，基于单晶硅生长系统内部机理所构建的机理模型由于存在诸多假设而无法应用于工程实际。因此，本文以现有CL120-97单晶炉拉晶车间的长期、海量晶体生长数据为基础，忽略炉内复杂的晶体生长环境，对影响晶体直径的拉晶参数进行关联性分析及特征量化，探寻拉晶数据中所蕴藏的规律信息，进而建立基于数据驱动的BP神经网络晶体直径预测模型，并针对现有BP神经网络易陷入局部极小值的问题，采用遗传算法对BP神经网络的阈值和权值进行优化，以提高晶体直径预测的准确性。通过实际拉晶数据对模型预测结果进行验证，结果表明，对任意选取的8组拉晶数据进行直径预测，预测的平均相对百分比误差为0.095 71%，证明该模型对于等径阶段晶体直径的预测是可行的。

降低单晶硅电池的生产成本，是提高光伏产业效益的关键。在等径拉晶过程中，采用分段加热可以减少加热器的输出功率，降低加热系统的能耗。本文在分析单晶硅拉晶过程中加热区域及能耗的基础上，提出细分加热器结构改进加热电路对单晶炉加热系统进行优化。实验设计了两段加热和三段加热两种模型(即方案1和方案2)，并分别将其导入有限元仿真软件进行模拟实验。结果表明，两段加热对拉晶过程的影响较大，三段加热对拉晶过程的影响较小，后者更能保证拉晶过程的稳定进行。能耗计算发现，前者能耗降低为6.98％，而后者能耗降低达到了9.49％。因此，采用三段加热的优化设计更有利于降低光伏企业的生产成本。

光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用, 单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构, 来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题, 并以CL120-97单晶炉热场为研究对象, 利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量, 而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。

单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中，用石墨热场加热，将多晶硅材料加以熔化，用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中，如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题，在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法，并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明，改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量，而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。

为了解决传统提拉单晶体生长界面不稳定的难题, 该文在传统全自动提拉单晶炉等径控制理论的基础上, 通过原料补充装置, 不断添加与晶体生长量相等的晶体原料至坩埚内, 以稳定晶体生长液面的高度不变; 再通过光学放大和电荷耦合器件(CCD)成像装置测量晶体实时直径的变化, 以此变化率调整晶体旋转速度, 最终使晶体生长界面始终维持在一个相对稳定的理想状态, 从而保证晶体外形符合设定要求和内部品质的优良。

从改进斜入射斜接收式激光三角法的光路系统角度出发, 提出了一种对液面反射光线采用线性光学放大的光路设计, 将液面微小位移变化线性放大为光电检测器上的光点位移变化来提高液位检测分辨率。对曲面镜的线性放大原理进行了理论推导, 介绍了线性放大曲面镜曲线函数表达式的数值计算方法以及计算机程序流程。仿真实验结果表明, 该线性放大曲面镜可以实现线性放大功能, 能够有效地提高激光三角液位检测系统的液位检测分辨率, 同时可保证检测系统具有较小的非线性误差。该光路设计方法也可应用于具有位置线性放大的光学位置指示系统中。