基于全生命周期的太陽能光伏的節(jié)能分析

趙騰飛 王星晨 蔣偉 徐菊萍 朱潔 楊新亞 李春瑩 陽季春

摘 要：文章運用生命周期評價（1ife cycle assessment，LCA）的分類、特征化、量化處理的方法，對太陽能光伏的全過程進(jìn)行全生命周期的影響評價。通過收集其資源消耗量和污染物排放量，建立全生命周期資源消耗及污染物排放清單，計算得到能量回收周期Energy Pay-Back Time（EPBT）（指在一定的時間內(nèi)獲得與系統(tǒng)總投入的能耗的比值）與綜合碳排放及環(huán)境污染處理費用和能量投資回收周期Energy Pay-Back Time'（EPBT'）（指在一定的時間內(nèi)獲得和生產(chǎn)處理中碳排放中能耗與系統(tǒng)總投入能耗的比值），并得到相應(yīng)的資源消耗系數(shù)和環(huán)境影響潛值。

關(guān)鍵詞：全生命周期 太陽能 投資回收期 節(jié)能分析

中圖分類號：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0143-02

太陽能光伏是我國“十二五”時期新能源領(lǐng)域重點發(fā)展方向，也是我國最具競爭力的出口商品之一。作為典型的“三頭在外-九成以上產(chǎn)品出口”的產(chǎn)業(yè)，其全生命周期價值不禁引發(fā)我們的思考。

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以全生命周期的能量回收期和費用投資回收期的角度進(jìn)行考慮時，真的是一種節(jié)能產(chǎn)業(yè)嗎？

為何有些報紙，言論刊登國內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)是“耗自己的電，為別人節(jié)能”？[1]

為何一些專家認(rèn)為，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是在為國外用戶輸送清潔能源，卻消耗了大量國內(nèi)能源，這種“國內(nèi)耗能、國外節(jié)能”的出口創(chuàng)匯模式得不償失，亟須引起重視。[1]

帶著這些問題，我們小組七人，將此作為大學(xué)生節(jié)能減排的課題研究方向，在嘉興學(xué)院暖通空調(diào)研究所陽老師的指導(dǎo)下，參考相關(guān)論文研究，利用全生命周期（LCA）的方法，并以此為切入點，將生命周期評價（LCA）這種全新的方法，應(yīng)用到太陽能光伏在建筑應(yīng)用中的節(jié)能分析中，對太陽能多晶硅電池板系統(tǒng)的綜合效益進(jìn)行評價，重點考慮環(huán)境效益，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面分析，計算得出太陽能光伏在全生命周期中分別不考慮碳排放和考慮碳排放及污染處理的能量投資回收周期與費用投資回收周期。希望可以為各機(jī)務(wù)段開展清潔生產(chǎn)提供方法上的指導(dǎo)，為環(huán)境政策決策者提供借鑒，為企業(yè)環(huán)境管理者提供行為改善依據(jù)，同時也為光伏產(chǎn)業(yè)提供產(chǎn)品改進(jìn)的方法作為參考。

1 太陽能光伏企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和研究所存在的不足

我們通過查閱、分析大量的文獻(xiàn)資料，對有關(guān)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)全生命周期的論述做了較為全面的總結(jié)。舉例如下：

辛同升，楊昌鳴等[2]在“集合住宅中太陽能技術(shù)應(yīng)用研究”一文中，以建筑節(jié)能為出發(fā)點，以集合住宅為對象，研究太陽能技術(shù)在建筑中的綜合應(yīng)用。研究重點是如何實現(xiàn)太陽能技術(shù)與建筑的有機(jī)結(jié)合，從三個方面進(jìn)行了闡述：

（1）以當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境為前提選擇合適的太陽能技術(shù)；

（2）太陽能技術(shù)的應(yīng)用需與建筑功能要求和美學(xué)形態(tài)相協(xié)調(diào)；

（3）多項太陽能技術(shù)的搭配使用。

文中主要涉及的是全生命周期中的規(guī)劃、設(shè)計階段，研究太陽能技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計的過程中，如何通過與建筑的良好結(jié)合來達(dá)到節(jié)能的目的。

周俊，趙敬德，劉成波等[4]在“基于全生命周期的太陽能光伏建筑能耗評價”一文中，給出了建筑全生命周期的定義：建筑物料生產(chǎn)、建筑規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護(hù)及建筑拆除、物料回收過程。

主要針對太陽能光伏建筑進(jìn)行了全生命周期的能耗分析（包括光伏系統(tǒng)的初始能耗、光伏系統(tǒng)的建造能耗、光伏系統(tǒng)的運行能耗、光伏系統(tǒng)的拆除能耗）、對能量回收周期和碳排放進(jìn)行了計算分析。

以上資料表明，關(guān)于太陽能光伏全生命周期的研究只是從單一角度進(jìn)行了簡單的可行性評價以及環(huán)境效益評價，并沒有從整體考慮全面、詳細(xì)的環(huán)境影響評價及在各個階段所帶來的資源的損耗，研究具有局限性，這正是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)所存在的一個漏洞，若考慮到全生命周期中光伏產(chǎn)業(yè)中的碳排放及對環(huán)境的影響是不是會有不一樣的結(jié)果呢？

2 全生命周期評價的定義

2.1 全生命周期評價（LCA）

全生命周期評價（LCA-Life Cycle Assessment）是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價過程，該文主要包括對生產(chǎn)階段、建造階段、運行階段、拆除階段和污染治理的能耗評價。以“太陽能光伏”為對象，通過查找資料文獻(xiàn)，實地調(diào)研，利用公式分析計算，得出傳統(tǒng)的能耗投資回收期EPBT與綜合生產(chǎn)，處理中碳排放及環(huán)境污染治理的能耗投資回收期EPBT'的結(jié)果，分析比較兩者的能耗并以目前碳排放折算額進(jìn)行計算其在全生命周期過程的節(jié)能分析。

2.2 全生命周期評價在太陽能建筑中的應(yīng)用

（1）傳統(tǒng)的建筑物全生命周期能耗[4]主要是由四部分組成：

（2）生產(chǎn)能耗，包括建筑物原材料的開采、生產(chǎn)能耗等。

（3）運輸及安裝工程能耗，包括施工人員能耗、設(shè)備機(jī)器能耗等。

（4）運行能耗，設(shè)備（制冷系統(tǒng)、鍋爐、水泵、電梯等）的運行能耗、設(shè)備維護(hù)能耗等。

回收能耗，包括建筑物拆除、處理能耗和廢物回收利用能耗等。

除了傳統(tǒng)意思上的四部分能耗，有關(guān)其太陽能光伏垃圾處理，對周圍土壤、大氣的影響也是必不可少的考慮因素。

3 太陽能光伏建筑能耗的全生命周期分析

3.1 分析基礎(chǔ)建筑及能耗假設(shè)

我們小組采取假定條件的方式，以嘉興地區(qū)的三口之家，平均建筑面積為120 ㎡為例，結(jié)合實際假定平均每一家所需的用電量12 kwh。

對于太陽能建筑，我們采取一年6個月為指標(biāo)，取平均日照度為600 W/㎡，太陽能電池板光電轉(zhuǎn)換效率為15%。計算可得提供三口之家一日所需的用電量需要88.9 ㎡的多晶硅太陽能電池板。

3.2 太陽能光伏建筑能耗的全生命周期分析

建筑的全生命周期分析是要將建筑在其全生命周期的不同階段中的各種能耗相加 ，分析其各個階段的能耗使用情況，由此著手對某階段的能耗使用進(jìn)行優(yōu)化改造的方法。該文所指的物化能包括建筑的生產(chǎn)能耗、建造能耗和拆除能耗三部分，運行能只包含運行階段所需要的能耗，在此基礎(chǔ)上，我們增加了垃圾對環(huán)境污染及處理中所帶來的能耗。

3.2.1 基于全壽命周期太陽能光伏建筑能耗分析理論基礎(chǔ)

（1）光伏系統(tǒng)的能耗計算公式[4]。

①光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗計算：

（1）

式中：Ec為光伏系統(tǒng)的初始能耗，kWh；為硅材料的物化能，kWh ；為電池板組裝、成型的物化能，kWh；m為太陽能電池板的個數(shù)。Es1為太陽能建筑的初始能耗，可看成生產(chǎn)太陽能電池板所需的物化能。它由三部分構(gòu)成：玻璃、玻璃纖維和鍍鋅鐵的物化能。

計算公式為：

（2）

式中：Es2a為硅片成型的物化能，kWh；Es2b為模塊組裝的物化能，kWh。

②光伏系統(tǒng)的運輸及工程安裝能耗計算：

（3）

式中：Ej為光伏系統(tǒng)的建造能耗，kwh ；

Gz為運輸設(shè)備 每公里消耗燃料的能量，kWh/km；

S為運輸光伏材料的總路程 ，km；

Ez為人員安裝作業(yè)所消耗的能耗 ，kW h。

③光伏系統(tǒng)的運行能耗計算：

（4）

式中：Ey為投人運行階段光伏系統(tǒng)的運行能耗（此為產(chǎn)出能耗，加負(fù)號），kwh；Et為照射到光伏電池板表面的年輻射能，kWh/year；為光伏電池板的光電轉(zhuǎn)化效率，%；n為正常運行年數(shù)，year。

④光伏系統(tǒng)的拆除能耗計算

E2 （5）

式中：Eh為光伏系統(tǒng)拆除能耗，kWh；E1為拆除作業(yè)能耗，kWh；E2為報廢材料運輸耗量，kwh。

（2）太陽能光伏建筑的能量回收周期計算公式。

為了知道一套光伏系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用的可行性及效果，必須對其在其生命周期內(nèi)分析其能耗投入產(chǎn)出的比例。傳統(tǒng)的能量投資回收期 Energy Pay-Back Time （EPBT）是指在一定的時間內(nèi)系統(tǒng)總投入的能耗與產(chǎn)出能耗的比值。新型的能量投資回收期Energy Pay-Back Time'（EPBT'） 是指在一定的時間內(nèi)生產(chǎn)處理中碳排放和環(huán)境治理中能耗與系統(tǒng)總投入能耗的比值。其計算公式如下：

（6）

（7）

（3）太陽能光伏建筑的碳排放分析。

太陽能作為一種清潔能源，在污染物控制排放方面有著明顯的優(yōu)勢。在計算排放量時，通常會通過碳排放系數(shù)Ci這一指標(biāo)來衡量。對于光伏系統(tǒng) ，其年碳排放量計算公式如下[4]：

（8）

式中：Ci為第i種原料的碳排放系數(shù)，。

（4）計算結(jié)果及分析。

建立的嘉興某三口之家建筑用電情況：

建筑120㎡房屋面積，單位面積用電量36 kWh，年用電量4320 kWh，

保留城市電網(wǎng)和光伏發(fā)電兩種系統(tǒng)，保證太陽光照不足時的照明負(fù)荷。照明計算時間為16∶00～22∶00。

①光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗。

將該生產(chǎn)能耗中各子過程的能耗折算為標(biāo)煤，并僅考慮各子過程的CO2的排放。得出其標(biāo)煤量為：2600 kg/kWp 和柴油量：34 kg/kWp。

又得生產(chǎn)l㎡光伏電池板的Es2a和Es2b 分別為：120 kWh/㎡和190 kWh/㎡。該建筑一天所用光伏系統(tǒng)的總有效面積為88.9㎡，將其代入式（1）、（2）得該太陽能電池板組件全生命周期中，需消耗一次能源總量為260369 kWh。

②光伏系統(tǒng)的運輸及安裝能耗。

材料運輸能耗和安裝作業(yè)能耗。取材料運輸路程平均值200 km，系統(tǒng)太陽能電池組件重900 kg，取平均運輸柴油消耗為0.063L/t×km×kg（柴油密度0.84 kg/L，價格取6元/L），得GxS=11.4L。安裝作業(yè)能耗：此安裝工程需兩名工人花一天時間完成，按每人每天120元的安裝費計算總價約為310元，再以電價折算成能耗，由式（3）得Ej=620 kwh。

③光伏系統(tǒng)的運行能耗。

此光伏電池系統(tǒng)提供建筑照明負(fù)荷、空調(diào)及用電設(shè)備。按額定功率計算得用戶系統(tǒng)使用平均每天使用總功率為8000 kwh。照明系統(tǒng)白天正常由城市電網(wǎng)供應(yīng)，太陽能電池板白天存儲的電量供應(yīng)16：00～23：005個小時的照明用電，按居民用電電價0.5元/kWh。

Ey=0.6×300×6x15%×100-4320=11880 kWh

④系統(tǒng)的拆除能耗。

拆除能耗主要由拆除作業(yè)能耗和廢物運輸能耗兩部分。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，拆除能耗按建造能耗的90%計算；參照建造能耗，廢物運輸能耗按平均運輸里程200 km，折合成電費為279元，由式（5）得Ec=558 kWh。

⑤碳排放計算。

從國際“碳交易”的方面看[9]，中國在履行《京都協(xié)議書》的時候可以每年向購買我們碳排量額度的國家節(jié)省一定量的碳交易額。平均每1t碳需要的交易額為30元，即排放價格：30元/t。則生產(chǎn)，運行中合成碳排放計算：

由系統(tǒng)計算能耗和式（8）計算可得該光伏系統(tǒng)的碳排放量為二氧化碳平均排放量為3.9 t/kWp，價格為117元/kWp，所需功率為1.2 kWp的光伏電池板。電池板的總有效面積為10 m，總消耗費用為12×117=1404元，折合成能耗為2080 kwh

⑥不考慮碳排放的能量回收期計算。

按照式（6）計算改造后的光伏建筑能量回收周期，得此光伏建筑的EPBT值：EPBT=（260369+620+588）/11880=22.02year，在合理的范圍之內(nèi)舊。即該光伏系統(tǒng)正常運行22年多的時間即可收回初始增加成本。

⑦考慮碳排放及污染治理的能量回收期計算。

按照式（7）計算改造后的光伏建筑能量回收周期，得此光伏建筑的EPBT值：

EPBT=（260369+620+588+4320+2808+46.08×2+14400）/11880=23.84year

⑧不考慮碳排放，污染處理的費用回收周期計算。

電價0.5元/kWh，標(biāo)煤價格0.77元/kg，平均運輸柴油消耗為0.063L/t×km×kg，柴油密度0.84kg/L，價格取6元/L。

費用回收周期為：

（260369×0.4x0.77+2913+310+279）/5940=12.63year

⑨考慮碳排放及污染治理的費用回收周期計算。

電價0.5元/kWh，標(biāo)煤價格0.77元/kg，碳排放總消耗費用為12×117=1404元，廢水處理總費用為46.08元，四氯化硅熱氫化處理費用600元/kWp，總計7200元。

費用回收周期為：（260369×0.4×0.77+2913+310+279+1404+46.08+7200）/5940=13.84year

備注：由于實際運用中，對逆變器及鉛酸蓄電池的具體型號壽命難以計算，故上述回收期未考慮器費用。

若考慮到鉛酸電池對土壤的污染太陽能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)大都使用鉛酸蓄電池[12]，該電池內(nèi)含有大量的鉛、銻、鎘、硫酸等有毒物質(zhì)，而節(jié)能燈燈管中也含有有毒的稀土三基色熒光粉和液體汞。這些蓄電池和燈管的壽命都不長，一般為5年，發(fā)電站的一般為8年左右，燈管的使用壽命則更短，所以更換蓄電池和燈管的頻率比較高。

以五年更換一次，共需四次，一立方米土壤修復(fù)所產(chǎn)生的費用為2240元，總費用為2240×4/5940=1.5year考慮到鉛酸電池廢棄所導(dǎo)致污染土壤的體積每增加1立方米，則費用回收期和能量回收期都約增加1.5年。若進(jìn)行全面的實地調(diào)研，土壤實驗，其回收期將不止1.5年，甚至?xí)龈唷?/p>

4 結(jié)語

計算結(jié)果可以看出，比較兩者投資回收期，考慮碳排放及環(huán)境污染治理的能量投資回收期為23.84年，比傳統(tǒng)的能量投資回收期22.02年多1.82年，考慮土壤的危害則為25.34年，比傳統(tǒng)的能量回收期多3.32年。同理，費用投資回收周期比傳統(tǒng)的費用投資回收周期多1.24年，考慮土壤的危害則為15.31年，比傳統(tǒng)的費用投資回收期多2.74年。因此，可以看出，太陽能光伏系統(tǒng)的從全生命周期方面考慮，需要將投資回收期作為一個重要參考。

計算結(jié)果表明，單純考慮經(jīng)濟(jì)利益回報，光伏產(chǎn)品對于用戶來說，能夠起到節(jié)能減排的作用。但是對于光伏生產(chǎn)時的廢水、廢氣，更換使用后的鉛酸蓄電池在環(huán)境中造成的大量污染，而由此的治理成本卻被無形轉(zhuǎn)嫁給了社會公眾。

那么目前大力推廣的光伏產(chǎn)業(yè)，其光鮮亮麗的綠色外表下，是否也暗暗隱藏若干年后其帶來的環(huán)境惡化的苦果？還有待進(jìn)一步證實。

參考文獻(xiàn)

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