冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析_于志强VIP专享VIP免费

39 2
20182
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol. 39, No. 2
Feb., 2018
收稿日期2015-12-29
基金项目:国家自然科学基金重点项目U1137601
通信作者:马文1973男,博士、教授,主要从事硅冶金与硅材料方面的研究mwhsilicon@126.com
文章编号0254-0096201802-0520-09
冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析
于志强1~31~31~31~31~3
1. 昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验/真空冶金国家工程实验室,昆明 650093
2. 昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明 650093
3. 昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室/云南省高校硅冶金与硅材料工程研究中心,昆明 650093
摘 要运用LCA方法对我国 1 MWP冶金法多晶硅光伏系统全生命周期的总能量需求、能量回收
1 MWP冶金法多晶硅光伏系统发电的总能量需求为 1.84×107MJ
1.43×106kg能量回收期为 3.98 a总能量需求和碳足迹主要来源于生产阶段,拆解回收处置阶段影响巨大;生产阶
段中系统件生影响大,太阳能级晶硅产其材、电力业硅用量硅片率是响总
能量需求和碳足迹的关键性因素。
关键词:冶金法多晶硅;光伏系统;生命周期评价;能量回收期;碳足
中图分类X828 文献标识码A
0引 言
近 年 来 ,随 着 人 口 增 长 和 经 济 发 展 ,能 源 安
68%的能源都来自于化石燃料,发电是
40%1
雨等一系列的环境问题。为了应对能源短缺和
环境污染的挑战,减缓气候变化,迫切需要发展
可再生能源技术,特别是光伏技术23。 随 着 技
广45
光伏技术直接用太阳能发电似乎非常清洁也
输、运行及拆解回收处置等阶段实际上都消耗了大
量的能源并排放了温室气体
6
绿
7~15
西
统,且未完全涵盖全生命周期所有阶段。本文用我
life cycle assessmentLCA基础数据库。
1研究方法和数据获取
命周LCA作为一种重要的环境管理
工具,用于评估产品或服务生命周期全过程中相关
广
的可续性和环保性
6
能量回收期指一个光伏发电系统全生命周期
内所消耗的能量除以该系统的年平均能量输出,
位为年。本文总能量需求的评估采用 TKE
eBalance 软件中的一次能源消耗PED价指
碳足迹是产品系统整个生命周期产生的直接
和间接的温室气体排放之和,主要以 CO2-eq
位。本文碳足迹的评估采用 IPCC 2007 评估方法中
GWP 评价指标。
本文数据主要来源于云南、宁夏和江苏相关企
业调数据及参考文
DOI:10.19912/j.0254-0096.2018.02.033
2期 于志强等:冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析 521
2研究目标和范围的确定
2.1研究目标
本文以冶金法生产的 1 MWP多晶硅光伏系统
策提理论依据
2.2系统边界
1 MWP冶金法多晶硅光伏系统服役运行 30 a
为功能单位。研究范围包括光伏系统的生产制造
统及辅件的生产地到光伏系统的组装地点运行
阶段和拆解回收废弃处理阶段 4
期阶。系统边界如1示。
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1冶金法多晶硅光伏系生命周期评价系统边界示意图
Fig.1 Life cycle assessment system boundary diagram of
metallurgical routepolysiliconphotovolatic system
3生命周期数据清单分析
3.1生产阶段
采、工业硅冶炼、太阳能级多晶硅生产、定向凝固铸
光伏参数1冶金
法多晶硅光伏系统各生产阶段能耗和物耗汇总列
于表 2
1研究对象的组件规格特征
Table 1 Characteristics of the module in this study
参数
硅片厚度/μm
硅片尺寸/mm
硅片重量/kg
铝合金边框质量组件/kg·m-2
前玻璃钢化玻璃尺寸/mm
前玻璃钢化玻璃密度/kg·m-3
封装材料EVA厚度/mm
封装材料EVA密度/5kg·m-3
光伏背板TPT厚度/mm
组件尺寸/mm
组件质量/kg
每个组件的电池数量/
组件效率/%
工作寿命/a
年均太阳能辐射量/kWh·m-2
最大功率点电压
V
mp/V
最大功率点电流
I
mp/A
开路电压
V
oc/V
短路电流
I
sc/A
最大功率
P
max/Wp
工作温度/℃
最大系统电压/VDC
最大串联电流/A
输出功率偏差/%
数值
180~200
156×156
0.013
2.13
1620.0×986.0×3.2
2500
0.45
955
0.3
1650×990×50
20
606×10
14.08
30
1700
30.7
7.49
37.0
8.06
230
- 40 ~ 85
600UL
1000IEC
15
±3
522 太阳能学报 39
2各生产阶段能耗和物耗汇总
Table 2 Summary of energy consumption and material consumption in each stage of production
生产步骤
硅矿
1 t 硅石
工业
冶炼
1 kg
工业
太阳能级
多晶
生产
1.01 kg
多晶
定向
凝固
铸锭
1 kg
硅锭
多晶
硅锭
切片
1
硅片
电池
制造
1
电池
投入的能
和物质
/kWh
炸药/kg
汽油柴油/kg
/kg
/kWh
硅矿/kg
/kg
碳质还原剂
合标/kg
电耗/kWh
工业硅消/kg
石英/kg
萤石/kg
31%盐酸/kg
55%氢氟酸/kg
新鲜/kg
石灰/kg
石英坩埚/kg
氮化/kg
循环/kg
电耗/kWh
循环/kg
石英坩埚/kg
氮化/kg
太阳能级
多晶硅料/kg
/kWh
多晶硅锭/kg
纯水/kg
钢线/km
聚乙二醇/kg
碳化/kg
电耗/kWh
多晶硅片/
新鲜/kg
银浆/kg
铝浆/kg
银铝/kg
NH3/kg
消耗
6.00×100
5.56×101
4.00×10-1
1.13×102
1.27×101
3.37×100
1.20×102
1.95×100
4.15×101
1.24×100
4.16×10-2
8.30×10-3
3.60×10-1
1.53×10-1
1.25×101
3.83×10-1
2.10×10-1
9.78×10-4
4.20×100
1.19×101
4.20×100
1.80×10-1
1.00×10-3
1.01×100
6.37×10-1
2.04×10-2
4.26×100
1.48×10-1
4.35×10-2
4.06×10-2
5.06×10-1
1.00×100
1.10×100
4.30×10-4
1.39×10-3
1.39×10-5
1.37×10-3
数据来源
文献16
文献17
文献18
文献19
文献16
文献20
云南
宁夏
相关
企业
生产
数据
宁夏
相关
企业
生产
数据
宁夏相关
企业生产数据
江苏宁夏
相关企业
生产数据
均值
文献
171820~22
5
数据均值
生产步骤
电池
制造
1
电池
电池
组件
生产
1
组件
平衡
系统
辅件
生产
1
组件
投入的能源
和物质
SiH4/kg
POCl3/kg
KOH/kg
HCl/kg
HF/kg
HNO3/kg
O2/kg
N2/kg
松油/kg
无水乙醇/kg
磷酸/kg
CF4/kg
NaOH/kg
硫酸/kg
电耗/kWh
电池/
新鲜/kg
玻璃/kg
TPT /kg
EVA /kg
有机硅胶/kg
组件铝边/kg
无水乙醇/kg
助焊剂
丙醇/kg
涂锡铜带/kg
丁基/kg
铜线/kg
纸板/kg
电线/kg
接线/kg
接线/kg
接线/kg
电线缘保护层
HDPE/kg
支架/kg
支架/kg
500 kW
逆变/
消耗
5.32×10-4
3.63×10-5
1.37×10-3
1.41×10-3
1.91×10-3
4.95×10-3
6.19×10-4
4.33×10-2
2.45×10-7
9.52×10-5
3.95×10-6
1.57×10-4
9.89×10-4
1.25×10-5
1.20×101
6.00×101
2.07×101
1.45×101
5.66×10-1
1.29×100
5.17×10-2
2.42×100
2.53×10-3
8.06×10-4
3.11×10-3
2.93×10-2
6.00×10-3
3.50×10-1
1.00×100
3.80×10-1
8.86×10-1
1.54×100
6.90×10-1
4.48×100
2.40×100
4.60×10-4
数据来源
文献
1718
20~22
5组数
均值
文献
1718
20~22
5组数
均值
文献20
文献22
Ecoinvent
数据
第39卷第2期2018年2月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol.39,No.2Feb.,2018收稿日期:2015-12-29基金项目:国家自然科学基金重点项目(U1137601)通信作者:马文会(1973—),男,博士、教授,主要从事硅冶金与硅材料方面的研究。mwhsilicon@126.com文章编号:0254-0096(2018)02-0520-09冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析于志强1~3,马文会1~3,魏奎先1~3,吕国强1~3,陈正杰1~3(1.昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室/真空冶金国家工程实验室,昆明650093;2.昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;3.昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室/云南省高校硅冶金与硅材料工程研究中心,昆明650093)摘要:运用生命周期评价(LCA)方法对我国1MWP冶金法多晶硅光伏系统全生命周期的总能量需求、能量回收期和碳足迹进行计算分析。结果表明:1MWP冶金法多晶硅光伏系统发电的总能量需求为1.84×107MJ、碳足迹1.43×106kg、能量回收期为3.98a;总能量需求和碳足迹主要来源于生产阶段,拆解回收处置阶段影响巨大;生产阶段中,平衡系统及辅件生产影响最大,太阳能级多晶硅生产其次;铝材、电力、工业硅的用量和硅片回收率是影响总能量需求和碳足迹的关键性因素。关键词:冶金法多晶硅;光伏系统;生命周期评价;能量回收期;碳足迹中图分类号:X828文献标识码:A0引言近年来,随着人口增长和经济发展,能源安全和气候变化等问题日益严重。当今,世界范围内应用的68%的能源都来自于化石燃料,发电是全球温室气体排放的主要原因,其产生的温室气体排放约占全球排放量的40%[1]。燃烧传统的化石燃料会带来气候变化、全球变暖、大气污染、酸雨等一系列的环境问题。为了应对能源短缺和环境污染的挑战,减缓气候变化,迫切需要发展可再生能源技术,特别是光伏技术[2,3]。随着技术发展和生产成本降低,太阳能发电已成为一种可大规模发展和应用的可再生能源技术,受到了全世界的广泛关注[4,5]。光伏技术直接用太阳能发电似乎非常清洁也没有环境影响,但从整个生命周期来看,其生产、运输、运行及拆解回收处置等阶段实际上都消耗了大量的能源并排放了温室气体[6],“绿色太阳能”背后的环境问题备受关注。国内外学者对多晶硅光伏系统进行了生命周期评价或碳足迹分析[7~15],但研究对象多为改良西门子法或硅烷法多晶硅光伏系统,且未完全涵盖全生命周期所有阶段。本文用我国生命周期背景数据,计算冶金法多晶硅光伏系统的能量回收期、全生命周期总能量需求和碳足迹,以准确辨识各生命周期阶段的环境影响,为我国光伏发电产业提供决策支持,并完善生命周期评价(lifecycleassessment,LCA)基础数据库。1研究方法和数据获取生命周期评价(LCA)作为一种重要的环境管理工具,用于评估产品或服务生命周期全过程中相关环境因素及其潜在影响。能量回收期和碳足迹是两个应用最广泛的环境指标,可用于评估光伏系统的可持续性和环保性能[6]。能量回收期指一个光伏发电系统全生命周期内所消耗的能量除以该系统的年平均能量输出,单位为年。本文总能量需求的评估采用TKEeBalance软件中的一次能源消耗(PED)评价指标。碳足迹是产品系统整个生命周期产生的直接和间接的温室气体排放之和,主要以CO2-eq为单位。本文碳足迹的评估采用IPCC2007评估方法中的GWP评价指标。本文数据主要来源于云南、宁夏和江苏相关企业调研数据及参考文献。DOI:10.19912/j.0254-0096.2018.02.0332期于志强等:冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析5212研究目标和范围的确定2.1研究目标本文以冶金法生产的1MWP多晶硅光伏系统为研究对象,计算能量回收期及其生命周期各阶段的能量需求和碳足迹,量化分析冶金法多晶硅的生产方法对环境的影响,为政府相关部门和企业的决策提供理论依据。2.2系统边界本研究从我国多晶硅光伏系统的实际情况出发,以1MWP冶金法多晶硅光伏系统服役运行30a为功能单位。研究范围包括光伏系统的生产制造阶段(包括矿石开采、工业硅冶炼、太阳能级多晶硅生产、铸锭、切片、电池片制造、组件生产、平衡系统及辅件生产),产品运输阶段(从电池组件、平衡系统及辅件的生产地到光伏系统的组装地点),运行阶段和拆解回收废弃处理阶段4个主要的生命周期阶段。系统边界如图1所示。图1冶金法多晶硅光伏系生命周期评价系统边界示意图Fig.1Lifecycleassessmentsystemboundarydiagramofmetallurgicalroutepolysiliconphotovolaticsystem3生命周期数据清单分析3.1生产阶段多晶硅光伏系统的生产阶段主要包括硅石开采、工业硅冶炼、太阳能级多晶硅生产、定向凝固铸锭、切片、电池片制造、电池组件生产、平衡系统及辅件生产。本文太阳能级多晶硅生产采用冶金法,包含造渣精炼、酸洗、定向凝固和电子束精炼四道主要工序。依据企业调研和查阅参考文献,研究对象光伏组件的规格、特征等主要参数列于表1,冶金法多晶硅光伏系统各生产阶段能耗和物耗汇总列于表2。表1研究对象的组件规格特征Table1Characteristicsofthemoduleinthisstudy参数硅片厚度/μm硅片尺寸/mm硅片重量/kg铝合金边框质量(组件)/kg·m-2前玻璃(钢化玻璃)尺寸/mm前玻璃(钢化玻璃)密度/kg·m-3封装材料(EVA)厚度/mm封装材料(EVA)密度/5kg·m-3光伏背板(TPT)厚度/mm组件尺寸/mm组件质量/kg每个组件的电池数量/片组件效率/%工作寿命/a年均太阳能辐射量/kWh·m-2最大功率点电压Vmp/V最大功率点电流Imp/A开路电压Voc/V短路电流Isc/A最大功率Pmax/Wp工作温度/℃最大系统电压/VDC最大串联电流/A输出功率偏差/%数值180~200156×1560.0132.131620.0×986.0×3.225000.459550.31650×990×502060(6×10)14.0830170030.77.4937.08.06230-40~85600(UL),1000(IEC)15±3522太阳能学报39卷表2各生产阶段能耗和物耗汇总Table2Summaryofenergyconsumptionandmaterialconsumptionineachstageofproduction生产步骤硅矿石(开采1t硅石)工业硅冶炼(1kg工业硅)太阳能级多晶硅生产(1.01kg多晶硅)定向凝固铸锭(1kg硅锭)多晶硅锭切片(1片硅片)电池片制造(1片电池片)投入的能源和物质电/kWh炸药/kg汽油、柴油/kg水/kg电/kWh硅矿石/kg水/kg碳质还原剂(折合标煤)/kg电耗/kWh工业硅消耗/kg石英砂/kg萤石粉/kg31%盐酸/kg55%氢氟酸/kg新鲜水/kg石灰/kg石英坩埚/kg氮化硅/kg循环水/kg电耗/kWh循环水/kg石英坩埚/kg氮化硅/kg太阳能级多晶硅料/kg电/kWh多晶硅锭/kg纯水/kg钢线/km聚乙二醇/kg碳化硅/kg电耗/kWh多晶硅片/片新鲜水/kg银浆/kg铝浆/kg银铝浆/kgNH3/kg消耗量6.00×1005.56×1014.00×10-11.13×1021.27×1013.37×1001.20×1021.95×1004.15×1011.24×1004.16×10-28.30×10-33.60×10-11.53×10-11.25×1013.83×10-12.10×10-19.78×10-44.20×1001.19×1014.20×1001.80×10-11.00×10-31.01×1006.37×10-12.04×10-24.26×1001.48×10-14.35×10-24.06×10-25.06×10-11.00×1001.10×1004.30×10-41.39×10-31.39×10-51.37×10-3数据来源文献[16]文献[17]文献[18]文献[19]文献[16]文献[20]云南、宁夏相关企业生产数据宁夏相关企业生产数据宁夏相关企业生产数据江苏、宁夏相关企业生产数据均值文献[17,18,20~22]中5组数据均值生产步骤电池片制造(1片电池片)电池组件生产(1个组件)平衡系统及辅件生产(1个组件)投入的能源和物质SiH4/kgPOCl3/kgKOH/kgHCl/kgHF/kgHNO3/kgO2/kgN2/kg松油醇/kg无水乙醇/kg磷酸/kgCF4/kgNaOH/kg硫酸/kg电耗/kWh电池片/片新鲜水/kg玻璃/kgTPT背板/kgEVA膜/kg有机硅胶/kg组件铝边框/kg无水乙醇/kg助焊剂(异丙醇)/kg涂锡铜带/kg丁基胶/kg铜线/kg纸板/kg电线(铜)/kg接线盒(铜)/kg接线盒(钢材)/kg接线盒(塑料)/kg电线(绝缘保护层HDPE)/kg支架(铝)/kg支架(钢)/kg500kW逆变器/个消耗量5.32×10-43.63×10-51.37×10-31.41×10-31.91×10-34.95×10-36.19×10-44.33×10-22.45×10-79.52×10-53.95×10-61.57×10-49.89×10-41.25×10-51.20×1016.00×1012.07×1011.45×1015.66×10-11.29×1005.17×10-22.42×1002.53×10-38.06×10-43.11×10-32.93×10-26.00×10-33.50×10-11.00×1003.80×10-18.86×10-11.54×1006.90×10-14.48×1002.40×1004.60×10-4数据来源文献[17,18,20~22]中5组数据均值文献[17,18,20~22]中5组数据均值文献[20]文献[22]Ecoinvent数据库2期于志强等:冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析5233.2运输阶段在光伏系统生命周期各环节的中间产品中,光伏系统的重量远远超出其他中间过程的产品,同时考虑到光伏产业链向垂直一体化整合的趋势[23],本文仅计算光伏系统运送到安装地点的运输能耗和产生的碳足迹。光伏系统运输采用的方式多为公路运输,假设运输工具为中型柴油货车(8t),运输距离为1000km,1MWp并网光伏系统的重量约为136.43t。相关生命周期背景数据来自CLCD数据库。3.3运行阶段假设光伏组件清洁的平均周期为每周一次,并仅需使用柔软洁净的布料擦拭光伏组件表面。根据文献[24]的数据,每次每平米消耗水0.5kg,折合每年1MWp的光伏组件消耗水185163.82kg,即在光伏系统1个生命周期30a内共需耗水5554914.6kg。3.4拆解回收处置阶段目前光伏发电兴起不久,尚未达到光伏系统25~30a的使用寿命,我国光伏系统的报废和回收处理产业尚未形成规模。本文拆解回收处置阶段包括设备拆解和材料回收及最终处置两个过程。英利公司利用剪切、挤压剪切、低温磨削和振动筛分等方法,从被拆除了边框与接线盒的光伏组件中回收玻璃面板颗粒、EVA颗粒、背板颗粒和硅颗粒[25]。垃圾破碎分选的电耗为0.002kWh/kg垃圾[26]。根据现有工业化回收技术,按照重量计算,晶体硅光伏组件中80%可回收再利用,其中玻璃、铜、铝边框的回收率分别约为100%、85%、100%[27],假设钢铁的回收率为100%。其他物质如塑料、电路板等视为危险废弃物,其综合利用率为45.4%[28]。剩余的危险废弃物最终处置采用土地安全填埋技术,垃圾处理能耗取0.008kWh/kg垃圾[29]。废玻璃回收再造,可减少约32%的能量消耗。回收1t废玻璃,可节约煤炭10t、电400kWh[30]。再生铜能源消耗为精矿铜的29.8%,温室效应为精矿铜的25.7%[31]。再生铝的总能耗仅为原铝生产能耗的4.86%,CO2排放量是原铝生产的4.6%,GWP只有原生铝的1/24[32]。若电炉炼钢全部用废钢作原料与长流程炼钢相比可以节省60%的能源[33]。当电池厚度小于200µm时,热处理已经无法获得完好的硅片。随着光伏产业生产技术的进步,电池的厚度逐代变薄,目前普遍在200µm以下。因此,通过热处理工艺得到完整的硅晶片已经不适用于现阶段的光伏组件,只能够用于回收硅原料[34],这样可省去高纯硅的生产能耗。假设硅的回收率为62%[27]。拆解后要运回相应的工厂进行回收,假设该阶段的运输能耗和碳足迹与前面计算的光伏系统运送到安装地点的情况相同。4研究结果与分析基于收集到的清单数据和eBalance软件的辅助计算,得到1MWP冶金法多晶硅光伏系统各生产阶段和各生命周期阶段的一次能源消耗和碳足迹,见表3、表4。表3各生产阶段的一次能源消耗和碳足迹Table3Primaryenergyconsumptionandcarbonfootprintinvariousstagesofproduction生产阶段太阳能级多晶硅锭生产多晶硅锭切片电池片制造组件生产平衡系统及辅件生产生产整个光伏系统合计一次能源消耗(PED)/MJ5.44×1062.42×1061.99×1064.41×1066.85×1062.11×107碳足迹(GWP)/kgCO2-eq4.18×1051.80×1051.51×1053.55×1055.35×1051.64×106表4生命周期各阶段的一次能源消耗和碳足迹Table4Primaryenergyconsumptionandcarbonfootprintatvariousstagesofthelifecycle生命周期各阶段生产阶段运输阶段运行阶段拆解回收处置阶段全生命周期合计一次能源消耗(PED)/MJ2.11×1072.61×1053.97×104-3.02×1061.84×107碳足迹(GWP)/kgCO2-eq1.64×1062.27×1041.76×103-2.32×1051.43×106524太阳能学报39卷4.1生产阶段的一次能源消耗与碳足迹分析1MWP冶金法多晶硅光伏系统生产阶段的一次能源总消耗为2.11×107MJ,碳足迹为1.64×106kg。通过分析得到了各生产阶段对光伏系统的一次能源消耗和碳足迹贡献,具体如图2所示。由图2、图3可见,平衡系统及辅件生产过程贡献最大,占整个生产阶段的33%,其次为冶金法生产多晶硅锭过程,能量消耗和碳足迹分别占26%和25%,然后是组件生产,能量消耗和碳足迹分别占21%和22%。由此可看出,钢铁、铜、铝、玻璃、多晶硅等材料生产过程对光伏系统生命周期能量消耗和碳足迹的贡献较大。因此,减少它们制造过程中的能耗和材料的消耗,可以有效降低生产阶段的环境影响,进而降低整个生命周期的环境影响。26%11%9%21%33%a.一次能源消耗25%11%9%22%33%b.碳足迹贡献图2各生产阶段一次能源消耗及碳足迹贡献Fig.2Carbonfootprintcontributionofeachstageofproduction4.2生命周期各阶段的总能量需求与碳足迹分析通过生命周期总能量需求分析(图4)可知,1MWP冶金法多晶硅光伏系统生命周期的总能量需求为1.84×107MJ,其中生产阶段为2.11×107MJ,约占总量的114.7%;其次是运输阶段,为2.61×105MJ,约占1.4%;运行阶段为3.97×104MJ,约占0.2%;拆解回收处置阶段为-3.02×106MJ,约占-16.4%。可见,多晶硅光伏系统整个生命周期的总能量需求主要集中在光伏系统的生产阶段,拆解回收处置阶段产生了较大的环境收益,减少了能量消耗。生产阶段和废弃处理处置阶段是影响研究结果的2个关键阶段,之前很多研究只考虑生产阶段,忽视了其他生命周期阶段,不能真正反映多晶硅光伏系统生命周期的环境影响。2.11×1071.84×1072.61×1053.9×1043.02×106PED/MJ图4生命周期各阶段能量需求Fig.4Energydemandateachstageofthelifecycle1MWP冶金法多晶硅光伏系统的碳足迹总量为1.43×106kg,生命周期各阶段的碳足迹如图5所示。结果表明,生产阶段的碳足迹最大,为1.64×106kg,贡献了总量的114.7%;其次为光伏系统的运输阶段2.27×104kg,贡献了1.6%的碳足迹;运行阶段的碳足迹相对较小,仅为1.76×103kg,贡献了总量的0.1%;拆解回收处置阶段由于材料的回收再利用,避免了部分被代替材料生产造成的环境影响,所以此阶段的碳足迹总和为负值-2.32×105kg,减少了16.2%的碳足迹。1.64×1061.43×1062.27×1041.76×1032.32×105GWP/kgCO2-eq图5生命周期各阶段碳足迹Fig.5Carbonfootprintofeachstageofthelifecycle2期于志强等:冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析525拆解回收处置阶段主要包括了拆解破碎分选填埋、主要材料的回收利用和拆解后的运输,其能量消耗和碳足迹见表5、图6。拆解破碎分选填埋和拆解后运输所产生的能量消耗和碳足迹远小于材料回收利用、替代原材料所避免产生的量。主要材料的回收对拆解回收处置阶段的能量消耗和碳足迹影响巨大。表5拆解回收处置阶段的一次能源消耗和碳足迹Table5Primaryenergyconsumptionandcarbonfootprintatdismantling,recycleanddisposalstage拆解回收处置阶段各环节破碎分选填埋材料回收利用拆解后运输合计一次能源消耗(PED)/MJ5.24×103-3.29×1062.61×105-3.02×106碳足迹(GWP)/kgCO2-eq3.93×102-2.55×1052.27×104-2.32×10520151050PED×105/MJ;GWP×105/kgCO2-eq(PED)(GWP)/kg图6材料回收利用对拆解回收处置阶段能耗和碳足迹的贡献Fig.6Thecontributionofmaterialrecyclingtoprimaryenergyconsumptionandcarbonfootprintatthedismantling,recycleanddisposalstage4.3能量回收期三类地区在中国面积最广、太阳能资源处于中等水平[35],假设多晶硅光伏系统的安装地点在三类地区的云南昆明,以最佳倾角南向安装,没有朝向和倾角损失,能量回收期可用式(1)和式(2)计算[36]。EPBT=Ein/Eout(1)Eout=Ht×P0×PR(2)式中,EPBT——能量回收期,a;Ein——光伏发电系统全生命周期内所消耗的能量,kWh;Eout——单位功率并网光伏系统每年输出的能量,kWh;Ht——倾斜方阵面上全年接收到的太阳总辐照量即每年的峰值日照时数,h,本文为1615h[36];P0——光伏系统额定功率,MWp,本文为1MWp;PR——光伏系统综合效率,本文取其为79.6%[37]。所以,在云南昆明以朝南最佳倾角安装的lMWp并网光伏系统的年发电量为1285540kWh,lMWp冶金法多晶硅光伏系统的能量回收期为3.98a。4.4敏感性分析从图2和图3可看出,生产平衡系统及辅件、太阳能级多晶硅锭和组件是多晶硅光伏系统生产阶段能量消耗和碳足迹最高的3个生产过程,它们对一次能源消耗和碳足迹指标敏感度最高的清单物质是铝、电力和工业硅,见表6。表6对能量消耗和碳足迹影响最大的清单物质及其敏感度Table6Listofsubstancesandtheirsensitivitytoenergyconsumptionandcarbonfootprint主要生产过程平衡系统及辅件生产太阳能级多晶硅锭生产组件生产清单物质铝电力工业硅铝对PED指标敏感度76.1%64.2%34.9%63.8%对GWP指标敏感度82.5%62.4%36.3%67.1%由表6可以看出,平衡系统铝支架、组件铝边框和太阳能级多晶硅锭生产过程中的电力及工业硅消耗是影响多晶硅光伏系统总能量需求和碳足迹的关键性因素。由图6可看出,硅片回收也是拆解回收处置阶段影响多晶硅光伏系统总能量需求和碳足迹的关键性因素。因此,多晶硅光伏系统应采用更加合理、生态的设计,选择更节能环保的材料替代铝支架和铝边框;在太阳能级多晶硅生产阶段尽量降低电力和工业硅的消耗,同时降低工业硅生产的电耗;在拆解回收处置阶段,用更合理的回收利用方式,尽量增加硅片的回收率,从而显著降低多晶硅光伏系统生命周期的总能量需求和碳足迹。526太阳能学报39卷5结论1)1MWP冶金法多晶硅光伏系统发电的总能量需求为1.84×107MJ、碳足迹1.43×106kg、以朝南最佳倾角安装在云南昆明的能量回收期为3.98a。光伏系统发电全生命周期的总能量需求和碳足迹主要来源于生产阶段,都贡献了114.7%;运输阶段贡献了1.4%的总能量需求和1.6%的碳足迹;运行阶段贡献了0.2%的总能量需求和0.1%的碳足迹;拆解回收处置阶段因为材料回收产生环境效益对研究结果影响巨大,减少了16.4%的总能量需求和16.2%的碳足迹。2)1MWP冶金法多晶硅光伏系统生产阶段的一次能源总消耗为2.11×107MJ,碳足迹为1.64×106kg。其中,平衡系统及辅件生产过程贡献最大,均占33%;其次为冶金法生产太阳能级多晶硅锭过程,能量消耗和碳足迹分别占26%和25%;组件生产的能量消耗和碳足迹分别占21%和22%;多晶硅锭切片和制造电池片贡献较小,分别占11%和9%。3)主要材料的生产过程及其回收利用情况对光伏发电全生命周期能量消耗和碳足迹的贡献较大。敏感性分析结果表明,对一次能源消耗和碳足迹指标敏感度最高的清单物质是铝、电力和工业硅。硅片回收也是拆解回收处置阶段影响多晶硅光伏系统总能量需求和碳足迹的关键性因素。4)为了有效降低多晶硅光伏系统全生命周期的环境影响,可采取以下措施:减少主要材料生产能耗和原材料消耗;采用更合理、生态的设计,选择更节能环保的材料替代铝支架和铝边框;在太阳能级多晶硅生产阶段尽量降低电力和工业硅的消耗,同时降低工业硅生产电耗;在拆解回收处置阶段,研究更合理的回收利用方式,尽量增加硅片的回收率。[参考文献][1]TurconiR,BoldrinA,AstrupT.Lifecycleassessment(LCA)ofelectricitygenerationtechnologies:Overview,comparabilityandlimitations[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2013,28(8):555—565.[2]NishimuraA,HayashiY,TanakaK,etal.Lifecycleassessmentandevaluationofenergypaybacktimeonhigh-concentrationphotovoltaicpowergenerationsystem[J].AppliedEnergy,2010,87(9):2797—2807.[3]DesideriU,ProiettiS,ZepparelliF,etal.Lifecycleassessmentofground-mounted1778kWpphotovoltaicplantandcomparisonwithtraditionalenergyproductionsystems[J].AppliedEnergy,2012,97(3):930—943.[4]LiDHW,LamTNT,ChanWWH,etal.Energyandcostanalysisofsemi-transparentphotovolta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