光伏發(fā)電減排CO2能力分析

1、光伏發(fā)電減排°°2能力分析一弓言太陽能是地球上最豐富的能源，一年內(nèi)到達(dá)地球表而的太陽能總量是 目前探明能源總儲(chǔ)量的一萬倍，同時(shí)太陽能是取之不盡，用之不竭的， 是可以持續(xù)利用的能源。而化石能源如煤、石油、天然氣等，儲(chǔ)量FI益 減少，且?guī)砹藝?yán)重的環(huán)境污染問題，于是近幾年光伏發(fā)電行業(yè)得到快 速發(fā)展。圖1為中國、日木、美國及世界其他國家太陽電 池產(chǎn)量2?？陀^分析了光伏發(fā)電技術(shù)的清潔程度，通過時(shí)空多尺度分 析和全生命周 期評(píng)價(jià)方法，計(jì)算光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率和C02排放量，并探討重金 屬排放和SiCI4的問題。計(jì)算結(jié)果表明，光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率為13.6, 每安裝IkW的光伏組件

2、所發(fā)電量相當(dāng)于減排CO224.3to光伏發(fā)電技術(shù)較 常規(guī)能源發(fā)電技術(shù)在減少C02和污染物排 放方面都具有很大優(yōu)勢(shì)，是清 潔的發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電；C02；重金屬摘要：尖鍵詞：光伏發(fā)電行業(yè)得 到快速發(fā)展的同時(shí)，有人對(duì)光伏發(fā) 電技術(shù)的清潔程度表示憂慮，主要 表現(xiàn)在C02減排能力、重金屬排放和SiCI4等問題。木文將應(yīng)用時(shí)空多尺 度分析和全生命周期評(píng)價(jià)分析方法對(duì)這幾個(gè)問題進(jìn)行計(jì)算與分析，以探 討光伏發(fā)電技術(shù)清潔與否。二分析方法1多尺度分析太陽電池是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，光伏發(fā)電是 光電轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換過程以電子為介質(zhì)，不涉及碳元素的化學(xué)反 應(yīng)，沒 有任何污染物的產(chǎn)生和排放，是完全清潔的

3、過程。但此過程是 在極小、 極短時(shí)間內(nèi)的微觀尺度下逬行的。研究某個(gè)系統(tǒng)，要把這一 系統(tǒng)定位在 合適的時(shí)空尺度范圍內(nèi)。太陽能取之不盡、用之不竭是相 對(duì)人類而言， 若把時(shí)空尺度放大到宇宙、億年的層次上，太陽也有終 結(jié)時(shí)，這一過程 為1。0億年左右。顯然用億年的時(shí)間尺度來探討人類活動(dòng)過大，這一尺度 就人類而言就是無窮盡的。將光伏發(fā)電放在人類的時(shí)空尺度（年、米）下 探討，從礦石熔煉多晶硅到光伏系統(tǒng)發(fā)電直至報(bào)廢這一過程約為20年左 右。2全生命周期評(píng)價(jià)分析根據(jù)多尺度分析把研究范圍定義在太陽電池從產(chǎn)生到報(bào)廢的20年內(nèi)， 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷包括系統(tǒng)從產(chǎn)生到報(bào)廢的各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn) 生的影響，即用生命周期

4、評(píng)價(jià)方法分析。生命周期評(píng)價(jià)是通 過對(duì)能量和 物質(zhì)的利用及由此造成的環(huán)境廢物排放進(jìn)行識(shí)別和量化的一種評(píng)價(jià)方法。 評(píng)價(jià)貫穿于產(chǎn)品、工藝和活動(dòng)的整個(gè)生命周期，包括原材料提取與加工、 產(chǎn)品制造、運(yùn)輸及銷售；產(chǎn)品的使用、再利用和維護(hù)；廢物循環(huán)和最終廢 棄處理。商品化太陽電池的生命周期應(yīng)包括：（1）晶體硅冶煉，獲得 冶金級(jí)晶體硅；（2）太陽能級(jí)硅精煉，晶體硅硅片制??；（3）光伏組件 制作；（4）光伏發(fā)電通過電網(wǎng)輸送給用戶的過程；（5）報(bào)廢后處理。太陽 電池全生命周期過程如圖3所示。按照 生命周期分析方法，電池組件壽 命20年，每天日照按4.7h計(jì)算，在 其壽命內(nèi)發(fā)電時(shí)間為 20x365x4.7=34310

5、h, IkW的電池組件在其壽命 內(nèi)發(fā)電量為3431OkWhO從 制造光伏發(fā)電系統(tǒng)的能耗來看，將光伏系 統(tǒng)生產(chǎn)過程中所有能量消耗折 合為電能，高純多晶硅材料制備，硅錠、硅片的生產(chǎn)三步工藝消耗能量 最高為2205kWh/kWp,占到總能量的72.5%,框架及配套部件耗能 320kWhAWP/則多晶硅光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)總能耗為2525kWhAWp50用光 伏系統(tǒng)的能量輸出和能量消耗的比值可以計(jì)算出光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效 率為13.6%0三光伏發(fā)電減排CO2能力分析近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速增長，溫室氣體的排放量也迅速增加，從 1990年到2008年，中國人均CO2的排放量增加近兩倍。盡管每 年人均 CO2排

6、放量為4.92t,略高于每人每年4.39t的全球平均值，但 由于人口眾 多，2008年Co2排放總量達(dá)到了 60.18億t6,成為全球碳排放第一大國， 2009年則達(dá)到64億t。光伏發(fā)電過程中不排放 溫室氣體和任何廢棄 物，不會(huì)污染環(huán)境，是理想的清潔能源，推廣應(yīng) 用光伏發(fā)電是減少CO2 排放量的有效措施。在光伏系統(tǒng)輸出電能時(shí)，可避免當(dāng)?shù)仉姀S發(fā)出同等 電能所產(chǎn)生溫室氣體的排放。但正如前面所 述，在光伏發(fā)電的生命周期 中是有C02排放的，多晶硅光伏系統(tǒng)組件的生產(chǎn)總能耗為 2525kWhAWpdkW的光伏組件可發(fā)電34310kWh,按中國單位發(fā)電量的C02排放因子764g/kWh計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)生

7、命周期內(nèi)C02排放量為 56gAWho光伏發(fā)電和常規(guī)能源發(fā)電的碳排放量對(duì)比如圖4 9所示，可 計(jì)算岀在中國目前發(fā)電C02排放因子水平下，光伏組件每發(fā)電IkWh可減 排CO2708gz每安裝IkW光伏組件 在全生命期20年內(nèi)可減少CO2排放總 量 24.3to四重金屬中國常規(guī)能源發(fā)電主要為煤發(fā)電，煤中元素種類眾多，除了一些主量 元素，還含有很多重金屬元素，如As、Cd、Ni、Hg、Cr等10。重金屬 主要指密度在5g/cm3以上的金屬,它會(huì)造成生物體中毒，對(duì)土壤、水體、 大氣造成污染。這些重金屬元素及其形成的化合物以煙霧 或塵埃狀態(tài)散 布在大氣中，數(shù)量非常大，且治理困難。我國運(yùn)行的發(fā) 電機(jī)組發(fā)電

8、煤耗 在0.374kg/kWh左右，可計(jì)算出每發(fā)電IkWh因燃燒煤炭而排放的重金屬 量，數(shù)據(jù)如表1所示。光伏發(fā)電重金屬排放主要 來源于光伏組件的生產(chǎn) 過程仍需使用化石能源的部分，以及光伏組件 的材料，如薄膜電池中的 鎘等。各種光伏發(fā)電技術(shù)的重金屬排放值都在0.03mgAWh以下11。將光伏發(fā)電的重金屬排放與煤發(fā)電做比較 得到圖5、圖6,結(jié)果表明光伏 發(fā)電的重金屬排放量遠(yuǎn)低于煤發(fā)電的五四氯化硅高純度硅是生產(chǎn)太陽電池所需的核心原料。目前80%以上的多晶硅都 采用“改良西門子法生產(chǎn)12zSiCI4為副產(chǎn)品，該物質(zhì)有毒，會(huì)對(duì)環(huán)境 造成污染。國際上，一般每生產(chǎn)Ikg多晶硅可產(chǎn)生8lOkgSiCRo完整的

9、"改 良西門子法是將生成的SiCI4加氫還原成SiHCI3,再經(jīng)過氫氣還原成多 晶硅，從而形成閉路循環(huán)過程。但生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，無論是SiCI4加氫還原， 還是SiHCI3的還原效率都較低，因此尋找更有效的方法將SiCI4還原成多 晶硅是多晶硅生產(chǎn)過程減少SiCI4排放的尖鍵。目前國內(nèi)外主要處理方法 如下13： ISiCI4直接還原生產(chǎn)此法與加氫生成SiHCI3相比，工藝流程更 簡(jiǎn)單，但還原速度慢、還原溫度更高。但因原料成本幾乎不計(jì)，綜合能耗 和 SiHCI3 法基木相當(dāng)。2VLD 法14VLD(VaPOrtOLiqUidDePOSitiOn) L 藝是 在更高的溫度(15000)下將SiCI4用氫氣還原。由于溫度的提高，還原速度 較12000時(shí)快10倍左右，且為連續(xù)化生產(chǎn)。即使考慮除碳工藝，其生產(chǎn) 成本也低于西門子工藝，是生產(chǎn)太陽電池用多晶硅的低成本方法。3金屬 鋅還原SiCI415金屬鋅還原法是20世紀(jì)50年代研究成功的方法淇基木 原理是利用 鋅和硅的化學(xué)活性差異。金屬鋅還原法轉(zhuǎn)化效率高、反應(yīng)速 度快(瞬 時(shí)完成)、產(chǎn)品純度可滿足太陽電池用多晶硅的要求。該方法己 在日本建立了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)線。4金屬鎂還原SiCI41