太阳能能耗.doc

太阳能光伏全寿命周期能耗与排放评估 目前的光伏系统中，按照材料来分包括：砷化镓、晶体硅、多晶硅、非晶硅、铜铟硒、碲化镉以及各种砷化镓与硅的聚光体系等。除了砷化镓主要用于空间卫星和飞行器外，真正在陆地上实现规模化应用的主要是硅系列太阳电池，93%。在可预见的未来时间内，因为材料的丰富、工艺的成熟和技术本身的快速发展， ， : 晶体硅、多晶硅、非晶硅和硅聚光电池。 1.能耗及能量回收期限 在对光伏发电行业的能耗进行分析之前，首先需要明确的是应该如何来定义能量回收期限。在这里引入净能量的概念来进行分析，并且只在生态系统范畴内来讨论它的意义，其数值是由能量的产出值与能量的消耗值之间的差值来决定的。当能量的产出大于能量的消耗时，净能量为正，反之则为负。而具体到太阳电池发电来说，能量的产出只能来源于电池板转换的电能，其多少与当地的太阳辐射量、电池的制备工艺和组件结构、电池板的安装特征(如倾斜的角度)、其本身的转换效率和运行寿命等息息相关；而能量的消耗则会涉及到多个方面和环节。从图1中的产业链结构中可以看到，基本上其中的每一个环节都会涉及到能量的消耗与传递。 (1) 单晶硅太阳电池 Karl E.Knapp 和Theresa L.Jester 通过计算电池板制备过程中能量的直接消耗(如电池制备)与间接消耗(如封装材料、铝线框等)的总和来计算能量的总消耗，把所有的能量都转化为相同数量的电能(单位kW·h)，然后通过总消耗能量与电池板电能产生速度的比值来计算能量的回收期限。结果得出，制备每千克单晶硅太阳电池组件需要的总能量为5600kW·h当量的电能，在辐照条件为1700 kW·h/（m2·a)、每天日照4.7h的情况下，能量回收周期为3.3年。 但是，在以上计算中，并没有涉及电池组件在系统运行期间所需要消耗的能量，以及逆变器等辅助部件的投入，这些都会使能量回收时间延长。按照辅助部件所占费用的比例，整个能量回收时间会再延长半年左右，这样，对于单晶硅太阳电池技术，整个光伏发电独立系统的能量回收时间约为4年。当然，以上计算还与光伏电站的规模有关，一般来说，随着规模的增加，规模效应会使能量回收期缩短一些。但是，如果辐照条件变为1200kW·h/( m2·a)，能量的回收时间就需要约5年。总之，对于单晶硅太阳电池来说，在25~ 30 年的使用周期中，产生的额外能量相当于其本身消耗的5~7倍。当然，随着技术的进步和规模化扩张的优势，能量的回报时间会变得更短。如果商业化硅太阳电池的转换效率达到18% 以上(目前转换效率普遍为15%)，并且表面织构技术成熟后，能量的回收周期会缩短为2~3 年。另外值得一提的是，现在有许多晶体硅太阳电池片来源于半导体行业中淘汰的单晶硅材料，变废为宝，从这个角度来考虑，因为计算能量消耗的起始点向后移动了许多，能量回收时间会更短，而且还充分利用了资源。 ( 2) 多晶硅太阳电池 对于多晶硅太阳电池来说，目前其市场份额已经超过单晶硅的规模。据欧盟委员会的统计，2005年光伏市场上多晶硅电池占有58%的份额，单晶硅则占有32%的比例。可以看出，多晶硅技术已经被市场广泛接受。二者的商业化转换效率差别不大，以多晶硅技术开发的电池组件的转换效率达到14%已经非常成熟。同时，多晶硅与单晶硅相比，不仅省掉了拉单晶的过程，而且工艺上更简单，这样每单位的耗能就更少。根据计算，多晶硅电池组件制备过程中的耗能约为单晶硅电池组件的70%，这样，其能量的回报时间可缩短为3年或者更短。据美国能源部设定的路线，未来多晶硅太阳电池的能量回报时间会在2年之内。 ( 3) 非晶硅薄膜太阳电池 非晶硅薄膜太阳电池由于使用非常少的半导体材料，并应用成熟的大面积沉积工艺，相比之下，消耗的能量更少，如晶片电池每W(峰值)需要硅材料15~ 20 g，而薄膜电池每W( 峰值) 仅需要硅材料100~400 mg。而整个薄膜电池组件耗费的能量相当于晶片电池的1/4，当然，其转换效率还需要进一步提高，目前商业化的非晶硅组件的转换效率普遍在7%左右，通过计算，其能量的回报时间约需2.8年。如果效率提高到10%的水平，回报时间会缩短到2年以内，现在铜铟硒太阳电池组件发电时的总能量回报时间就约为2.2年，这样就有很大的成本优势。E.A.Alsema描述，并网的屋顶太阳能发电系统，如果采用非晶硅薄膜技术，到2007年，能量的回收周期会在一年之内。所以，发展薄膜太阳电池潜力巨大，效益更高。 (4) 高效聚光电池 为了更高效地利用太阳能，同时能够尽可能地降低组件成本，开发高效的聚光电池技术已经受到广泛重视。现在，带500倍聚光系统的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到28%，组件效率超过21%，并且每W( 峰值) 消耗的能量也有所降低，这样，其能量回收周期会缩短为3年左右。通过以上分析和计算可以看出