北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 ■ 侯明山 李士琦 劉超 董洪波

一 引言

太陽(yáng)能是地球上最豐富的能源，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量是目前探明能源總儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍[1]，同時(shí)太陽(yáng)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)量日益減少，且?guī)?lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)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(guó)、日本、美國(guó)及世界其他國(guó)家太陽(yáng)電池產(chǎn)量[2]。

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[3]，主要表現(xiàn)在CO2減排能力、重金屬排放和SiCl4等問(wèn)題。本文將應(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(wèn)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(yáng)電池是將太陽(yáng)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(guò)程，轉(zhuǎn)換過(guò)程以電子為介質(zhì)，不涉及碳元素的化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有任何污染物的產(chǎn)生和排放，是完全清潔的過(guò)程。但此過(guò)程是在極小、極短時(shí)間內(nèi)的微觀尺度下進(jìn)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(yáng)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(yáng)也有終結(jié)時(shí)，這一過(guò)程為100億年左右。顯然用億年的時(shí)間尺度來(lái)探討人類活動(dòng)過(guò)大，這一尺度就人類而言就是無(wú)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(guò)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(yáng)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，即用生命周期評(píng)價(jià)方法分析。生命周期評(píng)價(jià)是通過(guò)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(yáng)電池的生命周期應(yīng)包括[4]：(1)晶體硅冶煉，獲得冶金級(jí)晶體硅；(2)太陽(yáng)能級(jí)硅精煉，晶體硅硅片制取；(3)光伏組件制作；(4)光伏發(fā)電通過(guò)電網(wǎng)輸送給用戶的過(guò)程；(5)報(bào)廢后處理。太陽(yáng)電池全生命周期過(guò)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20×365×4.7=34310h，1kW的電池組件在其壽命內(nèi)發(fā)電量為34310kWh。

從制造光伏發(fā)電系統(tǒng)的能耗來(lái)看，將光伏系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)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2205 kWh/kWp，占到總能量的72.5%，框架及配套部件耗能320 kWh/kWp，則多晶硅光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)總能耗為2525kWh/kWp[5]。

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%。

三 光伏發(fā)電減排CO2能力分析

近年來(lái)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，溫室氣體的排放量也迅速增加，從1990年到2008年，中國(guó)人均CO2的排放量增加近兩倍。盡管每年人均CO2排放量為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t[6]，成為全球碳排放第一大國(guó)，2009年則達(dá)到64億t[7]。

光伏發(fā)電過(guò)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CO2排放的，多晶硅光伏系統(tǒng)組件的生產(chǎn)總能耗為2525kWh/kWp。1kW的光伏組件可發(fā)電34310kWh，按中國(guó)單位發(fā)電量的CO2排放因子764g / kWh[8]計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)CO2排放量為56g/ kWh。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)算出在中國(guó)目前發(fā)電CO2排放因子水平下，光伏組件每發(fā)電1kWh可減排CO2708g，每安裝1kW光伏組件在全生命期20年內(nèi)可減少CO2排放總量24.3t。

四 重金屬

中國(guó)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(guó)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組發(fā)電煤耗在0.374kg/ kWh左右，可計(jì)算出每發(fā)電1kWh因燃燒煤炭而排放的重金屬量，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 我國(guó)煤中一些元素的含量及發(fā)電排放量

光伏發(fā)電重金屬排放主要來(lái)源于光伏組件的生產(chǎn)過(guò)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0.03mg/kWh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)電的排放量。

五 四氯化硅

高純度硅是生產(chǎn)太陽(yáng)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)[12]，SiCl4為副產(chǎn)品，該物質(zhì)有毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。國(guó)際上，一般每生產(chǎn)1kg多晶硅可產(chǎn)生8～10kg SiCl4。完整的“改良西門子法”是將生成的SiCl4加氫還原成SiHCl3，再經(jīng)過(guò)氫氣還原成多晶硅，從而形成閉路循環(huán)過(guò)程。但生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，無(wú)論是SiCl4加氫還原，還是SiHCl3的還原效率都較低，因此尋找更有效的方法將SiCl4還原成多晶硅是多晶硅生產(chǎn)過(guò)程減少SiCl4排放的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外主要處理方法如下[13]：

1 SiCl4直接還原生產(chǎn)

此法與加氫生成SiHCl3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SiHCl3法基本相當(dāng)。

2 VLD法[14]

VLD(Vapor to Liquid Deposition)工藝是在更高的溫度(1500℃)下將SiCl4用氫氣還原。由于溫度的提高，還原速度較1200℃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(yáng)電池用多晶硅的低成本方法。

3 金屬鋅還原SiCl4[15]

金屬鋅還原法是20世紀(jì)50年代研究成功的方法，其基本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(yáng)電池用多晶硅的要求。該方法已在日本建立了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)線。

4 金屬鎂還原SiCl4[16]

金屬鎂的化學(xué)活性更強(qiáng)，易采用升華法進(jìn)行提純，因此得到的多晶硅純度更高。陽(yáng)極得到的氯氣可與工業(yè)硅反應(yīng)生產(chǎn)SiCl4，也可作為西門子工藝中的氯氣原料生產(chǎn)SiHCl3。此工藝易實(shí)現(xiàn)鎂和氯的閉路循環(huán)，既增加了多晶硅的產(chǎn)量，又有效地解決了副產(chǎn)品——SiCl4的綜合利用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高效、綠色循環(huán)的工藝。

六 第三代太陽(yáng)電池

第一代太陽(yáng)電池為晶體硅電池，包括單晶硅和多晶硅電池；第二代為薄膜電池，包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘(CdTe)以及銅銦硒(CIS)電池等；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有關(guān)專家已提出第三代太陽(yáng)電池的說(shuō)法[17]，其中包括染料敏化太陽(yáng)電池、疊層電池、多能帶電池等。盡管目前第三代太陽(yáng)電池還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但由于其在成本或材料消耗等方面的優(yōu)勢(shì)，已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

1 染料敏化太陽(yáng)電池

染料敏化電池中的染料主要用于“捕獲”太陽(yáng)能，再由納米氧化物(包括ZnO、SnO2或TiO2等)將光能轉(zhuǎn)換為電能，染料敏化電池采用與晶體硅電池完全不同的光電轉(zhuǎn)換原理。由于使用廉價(jià)的原材料和簡(jiǎn)單的制作工藝[18]，原料成本大大降低，染料敏化電池的成本僅相當(dāng)于硅電池的1/10。同時(shí)，它對(duì)光照條件要求不高，即便在陽(yáng)光不太充足的室內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)換效率也不會(huì)受太大影響。目前，染料敏化電池的光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)10%，該技術(shù)還處于研究探索階段，尚未大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

2 疊層電池

由于太陽(yáng)光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比能隙值高的光子，而太陽(yáng)光中能量較小的光子將透過(guò)電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能而散失掉。太陽(yáng)光光譜可被分成連續(xù)的若干部分，選擇用與能帶寬度匹配度高的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序由外向里疊合，波長(zhǎng)最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光能夠透射進(jìn)去，被較窄能隙材料電池利用，這可最大限度地將光能轉(zhuǎn)換成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池，大大提高了電池的性能和穩(wěn)定性[19]。

根據(jù)這個(gè)原理制成的第三代太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率比第一代太陽(yáng)電池高。據(jù)資料介紹[20]，目前德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所(ISE)的科研人員已研發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 41.1%的疊層電池。同時(shí)，疊層電池保持了第二代薄膜太陽(yáng)電池低成本的優(yōu)勢(shì)。圖7為三代太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率與生產(chǎn)成本的比較[21]。

第三代太陽(yáng)電池大都不以硅為原料，在能耗、碳排放、成本等方面都優(yōu)于第一、二代電池，一旦技術(shù)成熟，將可大規(guī)模生產(chǎn)使用，光伏發(fā)電技術(shù)將成為更清潔、更有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電技術(shù)。

七 總結(jié)

根據(jù)太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)的總能耗，計(jì)算出光伏系統(tǒng)每發(fā)電1kWh的CO2排放量為56g，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于常規(guī)能源發(fā)電。盡管在制造太陽(yáng)電池的過(guò)程中需要使用含鎘的材料，但光伏發(fā)電所排放的鎘要比常規(guī)能源發(fā)電少很多。對(duì)于太陽(yáng)電池制造過(guò)程中排放的SiCl4應(yīng)加以利用，使之成為下游工業(yè)的原料，實(shí)現(xiàn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”模式。隨著第三代太陽(yáng)電池的出現(xiàn)，光伏發(fā)電技術(shù)將不再依賴高純硅，對(duì)環(huán)境造成的污染將更小。

通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量消耗、碳排放和重金屬排放與常規(guī)能源發(fā)電進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，光伏發(fā)電的清潔程度遠(yuǎn)高于常規(guī)能源發(fā)電。同時(shí)由于新技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電將越來(lái)越清潔化，是理想的清潔能源發(fā)電技術(shù)。

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