可再生资源的利用作业.docx

1、可再生资源的利用作业光伏电池生产过程的环境评价 太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。按材料不同，太阳能电池又可划分为硅系电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等，其中硅太阳能电池技术目前发展最成熟，在应用中占主导地位。硅太阳能电池分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池，而多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格便宜。我国的光伏产业目前在世界上占据了重要的份额:2007 年，我国太阳能电池产量跃居世界首位，总产量达到 1088MW，占世界总产量的27. 2% ;

2、2008 年太阳能电池总 产量达到2455MW，仍居世界第一。而在我国生产的全部太阳能电池组件中，硅系电池占到了90% 以上，其中绝大多数为单晶硅和多晶硅电池组件。尽管我国光伏产业发展迅速且前景广阔，属于可再生能源产业，但仍然存在很多争议，如其制造过程消耗较多的能源，能量回收期如何，以及对环境造成的一定影响（全球变暖潜值）等。这需要开展生命周期评价 ( Life Cycle Assessment)研究。所谓生命周期评价，是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集、加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境 负荷的过程。通过生命周期评价，可以发现产品

3、整个生命周期中的薄弱环节，并寻求改善产品或工艺的途径。现有研究大多集中于欧洲、日本等地先进生产工艺的环境影响:早在1995 年，德国的 HUBER等就开始对硅系太阳能电池进行生命周期评价;日本产业技术综合研究所的 ITO 等，则从1997 年开始关注光伏产品的环境影响，主要针对实际应用的大型光伏电站进行实证分析;荷兰Utrecht University 的 ALSEMA 等从2000 年左右开始对光伏产品进行生命周期评价，分析了其生命周期排放、能量回收期、温室气体排放等，并对近 10 a 光伏技术发展对这些指标的影响进行了分析，其研究主要依赖欧洲地区的生产数据;意大利罗马大学的 BATTIST

4、I 等也在近年来开始研究光伏发电系统与太阳能热力发电系统的环境影响。PACCA 等研究指出，在光伏电池的生命周期研究中，对结果具有较大影响的参数包括电池片或太阳能电池面板的转换效率、生产技术、生产过程中能量消耗和能源利用比例等。由于研究开展的年限不同，所选取的参数不同，结果差异也较大。总体来说 ，随着时间的推移、光电转换效率的提高，太阳能电池的能量回收期逐渐缩短;另外，在同等情况下，由于在多晶硅生产时多了拉棒这个高能耗过程，因此单晶硅电池的能量回收期又要比多晶硅电池的能量回收期长一些，但仍小于电池寿命。相对来说，我国光伏产品的生产工艺与世界先进水平相比有较大差距，因此以上研究结果均不能代表我国

5、产品的情况;而我国在该领域内还未开展大量研究，目前只有胡润青在 2008 年对我国光伏系统的能量回收期进行了分析。在我国光伏产业迅猛发展的情况下，目前亟需针对我国生产的光伏产品进行生命周期评价，以寻找降低产品环境影响、促进产业链持久发展的途径。光伏电池生命周期评价的目标定义：主要针对我国生产的多晶硅光伏电池组件进行生命周期评价。对主流技术水平(简称主流技术)与最优技术水平(简称最优技术)2 种技术情景下进行生产的能耗比较分析以及环境影响评价。其中，主流技术水平数据采用国内2家中型企业的生产数据进行综合比较得到，最优技术水平数据参考了国内某大型光伏企业的生产数据。生命周期评价的范围界定，即系统边

6、界。系统边界包括从原料生产到光伏面板组装的整个生产过程，考虑过程中各种辅助物质的生产和电力投入。由于我国的生命周期评价数据库尚不完善，组件安装所需的材料，如铜、铝、钢化玻璃和 EVA 等，以及在电池片生产中涉及的各种化学物质没有详细的清单数据，因此采用 Ecoinvent 数据库中的欧洲生产数据作为生产过程中辅助材料的数据来源。另外，电力生产所产生的环境影响也被包括在分析中。还有，光伏发电产生的清洁能源在制造和安装运行的过程中，需要消耗一定的能量，其所产生的环境影响也要包括再分析中。考虑到:硅石开采阶段由于矿石来源极广，不便于进行计算;使用阶段的能量和物质投入约等于零;目前尚未有成规模的回收和

7、处理阶段，因此这些部分不计算在生命周期中。多晶硅光伏电池组件的环境影响评价，具体的系统图如下图所示。其中的系统边界主要包括原料生产和制造加工过程中除光伏系统组装外的其他各个步骤。选取该系统边界进行分析的目的在于我国目前生产的大部分光伏产品都以组件形式出口。晶体硅太阳能电池的完整产业链上游为硅料、硅片环节，中游为电池片、电池组件环节，下游为应用系统环节。上游部分包括三个环节：工业硅制取、制取太阳能级多晶硅和多晶硅铸锭、切片。各个环节的具体操作如下：第一步，通过石英岩等以 SiO2为主的原料提炼冶金级的单质硅。冶金级的单质硅中的硅含量约为 99% 。第二步，将纯度在 99% 左右的冶金级硅(Met

8、allurgical Grade Silicon，MGSi) 提纯成为99.9999% 以上的高纯太阳能级多晶硅 (Solar Grade Silicon， SOGSi)。目前，改良西门子法是最成熟的高纯多晶硅生产方法，其总产能占全部太阳能级多晶硅的 90% 以上。第三步，将多晶硅料加工成为硅片，目前主要方法有直拉单晶硅和多晶硅铸锭2种，分别加工成为单晶硅电池片和多晶硅电池片。由于分析多晶硅电池的情况也可在一定程度上代表单晶硅电池的生产情况，因此仅考虑采用多晶硅铸锭的方式进行生产。多晶硅铸锭炉通过定向凝固，将粗硅料融化后在内部单向散热，在液固界面处形成柱状晶体。中游部分包括两个环节：电池片制造

9、和光伏电池面板组装。各个环节的具体操作如下：第一步：将硅片经过热碱液浸没以去除损伤层并制绒后，在高温下使三氯氧磷和硅片进行反应，磷原子在反应中扩散入硅原子结构间形成 PN 结。经过湿法刻蚀、氧化层腐蚀后采用PECVD设备在硅片表面形成氮化硅薄膜作为减反射层，之后硅片正反面分别印刷银浆或铝浆，并快速烧结以形成固体电极。多晶硅光伏电池是在多晶硅片上通过扩散制结而制成的。第二步，利用钢化玻璃和 EVA等材料将晶体硅太阳能电池进行单片互连、封装，以保护电极接触，防止互连线腐蚀，避免电池碎裂。封装质量直接影响晶体硅太阳能电池组件的使用寿命。众所周知，太阳能电池无燃料污染、无噪声、无污染，是典型的清洁能源

10、，但其加工、制造过程却给环境带来了一定的影响。有学者分析，单晶硅电池生产能耗大，现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，即使最乐观的估计，也需要10年左右时间才能使单晶硅电池所获得的太阳能大于自身被生产所消耗的能量。太阳能电池是一个对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如今使用最多的就是单晶硅和多晶硅。而晶体硅的生产过程是一个以能量制造能量的过程，在提纯、拉棒、切片、制电池和封装过程中耗费了巨大的能量。而且，生产过程中会产生大量的污水。由于生产所使用的化学品为清洗腐蚀以及掺杂用的无机酸性、碱性，如果处理不好，生产过程中产生的有毒有害物质会对环境造成严重

11、的污染。目前，国内绝大部分多晶硅生产都采用改良西门子技术第一代工艺，这种工艺的耗电量极大，一个年产1.5万吨的多晶硅基地，其耗电量大于一个100万千瓦火力发电站一年的发电总量，耗煤量将近300万吨，每年产生1100万吨CO2 ，对 环境造成极大污染。据介绍，生产多晶硅是一个提纯过程，金属硅转化成三氯氢硅，再用氢气进行一次性还原，这个过程中约有25%的三氯氢硅转化为多晶硅，其余大量进入尾气，同时形成副产品四氯化硅，每生产1吨多晶硅，就产生4吨以上的四氯化硅废液。四氯化硅是一种腐蚀性极强、难以保存的有毒液体，并且不能自然降解，遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢，对人体眼睛、皮肤、呼吸道有强刺激

12、性，遇火星会爆炸；如果将四氯化硅倾倒或掩埋，水体将会受到严重污染，土地会变成不毛之地。在这个过程中，如果回收工艺不成熟，三氯氢硅、四氯化硅、氯化氢、氯气等有害物质极有可能外溢，存在重大的安全和污染隐患。而由于生产技术落后，国内大部分企业都是利用欧美的设备配合俄罗斯的技术，这些方法均不能实现整个生产流程的闭环运行，也不能彻底解决高能耗和环保问题。虽然有些制造企业是用闭环式的生产方法，但是实际上大部分企业由于技术达不到闭环式的要求，或者本着降低成本的目的，并没有严格按照相关规定进行处理，所以导致环保问题出现。事实上，晶体硅电池生产所需的材料远远不止这些，还有许多辅料参与其中。比如在提纯和生产多晶硅

13、、单晶硅中所用的辅料主要包括氯产品如盐酸、氯气、三氯氢硅等，还有氢氯化所用的气体和多晶硅铸锭用的氮化硅粉、惰性气体以及其它反应气体；另外还涉及到石英坩埚、铸锭炉、隔热用的碳毡以及工作时需要消耗的温度传感器件等；而在硅片切割过程中，要用到钢线、钼线、金刚砂线等切割线，还有切削液、金刚砂微粉，在硅片切割后清洗时，要用到各类的碱、酸和纯净水等等。在电池片的生产阶段，除了前期的各类酸碱和纯水辅料外，还需要用到三氯氧磷气体、硅烷气体、银浆和铝浆；在组件加工方面，要用到超白玻璃、EVA薄膜、铝合金框和各种粘结剂等等。以上这些辅料是太阳能电池生产过程中必不可少的材质，其消耗的能源以及对环境所造成的压力可想而

14、知。有数字显示，从生产工业硅到太阳能电池组装完成的全过程，综合电耗约220万千瓦时/兆瓦。然而按国内平均水平，生产1千瓦的太阳能电池需要10千克多晶硅，耗电58006000度，为世界先进水平的23倍。光伏电池直接生产过程中投入的除硅料外还有其他各种物质的生产过程，因此在评价生命周期环境影响时污染物排放包括了从辅助材料生产、化学物质生产到电力生产、光伏电池生产各生产环节的产物。不仅计算生产过程的总能量需求 (Gross Energy Requirement，GER, MJ/kWp)和全球变暖潜值(Global Warming Potential,GWP,以CO2排放当量计,kg/kWp)，同时计

15、算整个光伏电池生命周期中的各种物质排放强度以及环境影响。生产过程中的能量需求包括光伏电池生产过程中的直接能量需求、辅助材料和生产过程中投入的各种化学物质的生产能耗、电力生产过程中的耗能情况。其中，直接能量需求包括从工业硅生产到系统并网应用的所有环节的能耗，电力生产过程中的能耗包括括线路、控制器、逆变器、EVA等，光伏系统的生产过程和环节如下图所示。 光伏系统全寿命周期内的能耗=生产制造能耗+运输安装能耗+运行能耗+设备回收能耗生产制造能耗=EP1+ EP2+ EP3+ EP4+ EP5+ EP6式中：EP1为硅砂冶金硅的能耗；EP2为冶金硅多晶硅的能耗；EP3为多晶硅多晶硅片的能耗；EP4为多

16、晶硅多晶硅太阳能电池的能耗；EP5为太阳能电池光伏组件的能耗，含封装材料的生产能耗；EP6为光伏组件光伏系统的能耗，含并网控制逆变器、电缆、开关、支架、仪表等的生产能耗。有分析得：光伏组件生产的能量消耗主要集中在工业制取硅、太阳能级多晶硅生产以及铸锭、切片三个工艺环节上，这三步硅料加工过程的能耗占总能耗的80%以上，而实际电池片生产和组件生产过程能耗仅占总能耗的20%以下。根据生命周期评价方法，太阳能光伏系统的能量回收期是指在全寿命周期中消耗的总能量（包括生产制造、安装和运行过程中消耗的能量），与光伏系统运行时每年的能量输出之比，单位为年，即：能量回收期（年）=光伏系统全寿命周期内的能耗/光伏

17、系统每年的能量输出。显然，一个系统的能量回收期越短越好。光伏系统的能量回收期取决于两个方面的数据：一是太阳能光伏系统生产制造、运输安装和运行过程中消耗的能量，这主要取决于生产制造的技术水平和运行管理能力；二是光伏系统的发电量，这取决于光伏电池系统和蓄电池系统的配置、系统的安装位置和方式、当地太阳能资源情况和运行维护的水平。太阳能光伏电池的能量回收期的计算过程不考虑在实际光伏发电系统中的其他配套的设施，仅简单计算光伏电池组件的能量投入和产出。其中，不同的技术，不同的地区，不同的朝向和倾角，能量回收期不同。太阳能光伏系统年发电量的计算公式如下：E out=H1P0PR，E out为光伏系统每年输出

18、的能量；H1为倾斜的光伏方阵面上全年接受的太阳总辐射量；P0为光伏系统额定功率；PR为系统的性能比率。性能比率对于不同的地点和运行情况会有所不同，根据观察和分析，可以平均按75%计算。全球变暖潜值选取CML2001体系进行计算。具体计算指标:CML2001，全球变暖潜值，以CO2排放当量 (kg)计。计算所得：不同技术得到的变暖潜值不同，主流技术变暖潜值大，最优技术变暖潜值小。要确保我国光伏产业的可持续性发展，必须从产业链的角度来审视该问题。综合对光伏组件的生命周期评价结果，对于我国光伏产业链有如下政策建议:a 针对我国目前多晶硅生产能耗较高、环境影响较为严重的状况，对我国现有多晶硅生产企业进

19、行整顿，强制关闭能耗过高的企业并颁布严格的多晶硅企业准入措施，以降低多晶硅生产所造成的能源消耗和环境污染。2009 年国务院发布的关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知(38 号文件)中明确指出，新建多晶硅项目太阳能级多晶硅还原电耗应小于 60 kWh kg，到 2011 年前淘汰综合电耗大于 200 kWh kg的多晶硅产能。通过对行业内企业的控制，将整个多晶硅生产行业的平均能耗降低，并减轻环境影响。b 对技术改进和研发实施鼓励政策，以设立国家级实验室和资金支持的形式鼓励多晶硅生产工艺和电池生产工艺的改进，以此提高高纯度多晶硅的生产能力，降低综合电耗和过程中的物耗，提高硅片生产过程中的切割水平，并降低在电池生产过程中的各种能耗物耗。c 由于我国多晶硅生产水平与国际先进水平相比差距较大，环境影响较为严重，并且在短期内这种情况无法得到根本转变，因此从减轻环境污染的角度，可以鼓励我国光伏产业链中后部企业选择进口欧美国家或者日本生产的太阳能级多晶硅，从而降低产品的最终环境影响，而该措施也能更好地鼓励国内企业进行技术改进，控制多晶硅产业的膨胀。d 针对太阳能光伏行业，应加强产业数据的搜集和整合工作，并建立针对我国生产情况的数据库，以利于整个行业的分析和研究。