（环境科学专业论文）多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究.pdf

塾 扬趟盍堂亟堂焦途塞 放量占总碳排放量的3 1 ，多晶硅太阳能电池及光伏组件生产过程中消耗能源产 生的碳排放量占总碳排放量的5 9 。 ( 3 ) 根据多晶硅行业准入条件，计算得到修正后的多晶硅光伏系统全生 命周期的碳排放量为1 1 3 0 2 0 2 4 7 吨，其中因消耗能源产生的碳排放量为4 1 6 1 3 5 吨， 因消耗资源产生的碳排放量为4 2 9 5 6 7 吨，厂房建设产生的碳排放量为2 7 7 9 8 4 吨， 设备生产产生的碳排放量为6 2 5 8 6 吨，处理废弃物、废水产生的碳排放量为2 3 0 8 7 吨，分别占总碳排放量的3 6 8 2 、3 8 0 1 、2 4 6 0 、0 5 5 、0 0 2 。对应的1 m w 多晶硅光伏系统的碳排放为3 0 5 4 6 吨。 ( 4 ) 相对火力发电，以最佳倾角安装在常州朝南方向的l k w 屋顶并网光伏 系统的年发电量为2 2 8 8 k w h ，年减排能力为：1 4 1 8 5 6 3 0 5 4 6 n 。结果显示太阳能 资源对碳回收期影响较显著，拉萨为1 7 年，常州为2 1 年，成都为4 7 年，安装 角度对碳回收期也有影响。 关键词：碳排放多晶硅太阳能光伏系统全生命周期评价 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 i l i l i f ec y c l er e s e a r c ho l lc a r b o ne m i s s i o n so f p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n - - p h o t o v o l t a i cs y s t e m a b s t r a c t b a s e do nt h ec l e a r c o n c e p t o fc a r b o ne m i s s i o n sa n dc a r b o n - l i n ko f p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o np h o t o v o l t a i cs y s t e m i i lt h el i f ec y c l e ，t h i sp a p e rs t a r t i n gf r o mt h e e x a m p l e ，a n a l y s i st h r e ec o m p a n i e so nt h ep o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o np vi n d u s t r i a lc h a i n t h es t u d ys h o w sc a r b o ne m i s s i o n so f1m w p o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o np vm o d u l e s t h e n a c c o r d i n gt o a c c e s sc o n d i t i o no fp o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o ni n d u s t r y ，1 m wa n dt h e c u r r e n tm a i n s t r e a mp r o d u c t i o ns i z ea n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yp o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n p vs y s t e mc a r b o ne m i s s i o ni nt h el i f e c y c l ei sc a l c u l a t e d c o m p a r i n gt h el k w p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o np h o t o v o l t a i cs y s t e mc a r b o ne m i s s i o np e rg e n e r a t i o n 、析也 t h e r m a lp o w e r , c a r b o np a y b a c kp e r i o da n dt h er e l e v a n tf a c t o r si sc o n c l u d e d t h e c o n c l u s i o n ss h o w ： ( 1 ) p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o np vs y s t e m si n d u s t r yc h a i ni n c l u d et h ep r o d u c t i o no f m e t a ls i l i c o n , p o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o n , p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o ni n g o t ，p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n f i l m , s o l a rc e l l s ，p vm o d u l e ，p vs y s t e mb a l a n c e c o m p o n e n t s c a r b o n - l i n k so f p o l y e r y s t a l l i n e - s i l i c o np vs y s t e ma l ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e s o u r c ec o n s u m p t i o n , p l a n t c o n s t r u c t i o n , e q u i p m e n tg e n e r a t i o n , t r a n s p o r t a t i o n , w a s t ed i s p o s a l ( 2 ) b a s e do nt h ee x a m p l e ，c a r b o ne m i s s i o no f2 8 0 m wp vs y e s t e mi s7 5 2 ，8 5 9 4 t o n s c a r b o ne m i s s i o nd u et oe n e r g yc o n s u m p t i o ni s5 38 912t o n s ，w h i c ha r e71 5 8 o f t h et o t a l c a r b o ne m i s s i o nd u et or e s o u r c ec o n s u m p t i o ni s17 3 316t o n s ，w h i c ha le 2 3 0 2 c a r b o ne m i s s i o nd u et op l a n tc o n s t r u c t i o ni s3 6 8 3 3t o n sw h i c ha l e4 8 9 c a r b o ne m i s s i o nd u et oe q u i p m e n tp r o d u c e si s3 6 2 3 5t o n s ，w h i c ha l e0 4 9 c a r b o n e m i s s i o nd u et ow a s t ed i s p o a li s17 4 9t o n s ，w h i c ha c c o u n tf o ro n l y0 0 2 u n d e rt h i s s c a l e ，c a r b o ne m i s s i o no f1 m wp vs y s t e mi s2 6 8 8 7 8t o n s 2 8 0 m wp vs y s t e mc a r b o ne m i s s i o nd u et oe n e r g yc o n s u m p t i o ni s5 3 8 ，9 1 2 t o n s t h er a t eo fc a r b o ne m i s s i o nd u et oe n e r g yc o n s u m p t i o no fh i g h - p u r i t yp o l y s i l i c o n p r o d u c t i o np r o c e s s e si s9 1 w h i c hp l a y sad e c i s i v er o l e t h er a t eo fc a r b o ne m i s s i o n s d u et oe n e r g yc o n s u m p t i o no f p o l y c r y s t a l l i n ei n g o ta n ds l i c ei s3 1 t h er a t eo fc a r b o n 扬划太堂亟堂焦途塞 e m i s s i o nd u et oe n e r g yc o n s u m p t i o no fp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e i l sa n dp v m o d u l e si s5 9 ( 3 ) a c c o r d i n gt o a c c e s sc o n d i t i o no fp o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o ni n d u s t r y ，t a k et h e c u r r e n tm a i n s t r e a m p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y a n d p r o d u c t i o n s c a l eo f p o l y e r y s t a l l i n e - s i l i c o ni n d u s t r y f o re x a m p l e ，c a r b o ne m i s s i o no f3 7 0 m wv e r t i c a l p r o d u c ti s 113 0 2 0 2 4 7t o n s c a r b o ne m i s s i o nd u et oe n e r g yc o n s u m p t i o ni s41613 5 t o n s ，w h i c ha l e3 6 8 2 o ft h et o t a l c a r b o ne m i s s i o nd u et or e s o u t c ec o n s u m p t i o ni s 4 3 9 5 6 7t o n s w h i c ha l e3 8 0 1 c a r b o ne m i s s i o nd u et op l a n tc o n s t r u c t i o ni s2 7 7 9 8 4 t o n sw h i c ha r e2 4 6 0 c a r b o ne m i s s i o nd u et oe q u i p m e n tp r o d u c e si s6 2 5 8 6t o n s ， w h i c ha l e0 5 5 c a r b o ne m i s s i o nd u et ow a s t ed i s p o a li s2 3 0 8 7t o n s w h i c ha c c o u n t f o ro n l y0 0 2 u n d e rt h i ss c a l e ，c a r b o ne m i s f i o no f1 m wp vs y s t e mi s3 0 5 4 6t o n s ( 4 ) c o m p a f i n g 埘t hp o w e rg e n e r a t i o n , t h ea n n u a lg e n e r a t i o nc a p a c i t yo fl k w g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l m i cs y s t e mw h i e hs e r i e si nt h es o u t ho fc h a n g z h o ua n df o rt h e b e s ta n g l ei s2 2 8 8 k w h ，a n de m i s s i o nr e d u c t i o nc a p a c i t yi s ：1 4 1 8 。5 6 - 3 0 5 4 6 | n t h e r e s u l t ss h o wt h a ts o l a re n e r g yr e s o t t r c e sh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nc a r b o ne m i s s i o n p a y b a c kp e r i o d l h a s ai s 1 7y e a r s ，c h a n g z a h o ui s2 1y e a r s ，c h e n g d ui s4 7y e a r s a n g l e i n s t a l l a t i o na l s oh a sa p a r ti nc a r b o ne m i s s i o np a y b a c kp e r i o d k e y w o r d s ：c a r b o ne m i s s i o np o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o n s o l a r e n e r g yp vs y s t e m l i f cc y c l ea s s e s s m e n t 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 1 文献综述 1 1 研究背景 能源问题始终是倍受我国和世界各国关注的一个热点和难点问题。能源是社 会和经济可持续发展的重要物质基础，是人类赖以生存和发展的基本要素之一。 世界各国对能源的合理开发和运用都十分重视，都把能源政策与发展视为经济发 展和国家安全的重要因素。 随着2 0 世纪5 0 年代石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论 开始关注起世界“能源危机”问题。而中国是一个发展中国家，经济力量还不够，人 均资源十分有限。人均能源资源相对不足，成为我国经济社会可持续发展的一个 制约因素。根据国际上通行的能源预测，石油将在4 0 年内枯竭，天然气将在6 0 年内用光，所以人类必须从现在开始寻找新一代的替代能源。 同时，由于化石燃料的燃烧，产生大量的温室气体，由此造成的全球变暖己 得到了世界范围内的广泛关注。从1 9 9 7 年的京都议定书到2 0 0 9 年的哥本哈 根全球气候大会，全球都在致力于“减排事业”，因此寻找替代能源的工作迫在眉睫。 基予以上的问题，太阳能得到了大力发展。太阳能是地球上巨大的无污染能 源，地球上每秒钟可获得的太阳能相当于燃烧5 0 0 万吨优质煤发出的热量，其中 我国拥有的太阳能资源相当于1 9 万亿吨标准煤，发电量可达9 6 亿千瓦。与其他 能源相比，太阳能不会产生有毒、有害气体和废渣。同时太阳光随处可以得到， 使用方便、安全；成本低廉，可以再生。 太阳能直接利用的方式主要有光电转化、光热转化等。光电转化是利用太阳 电池直接将太阳能转化为电能。太阳电池是实现光电转化的器件，有单晶硅、多 晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，本文以多晶硅为 例进行研究。 虽然太阳能属于清洁能源，使用时无碳排放，但从多晶硅一光伏系统全生命周 期考虑，情况并非如此。 正是在这样的背景下，拟从从全生命周期角度出发，利用环境经济学思想， l 一一一一一一一一一一一一一一扬划盔堂亟堂僮途塞 一 研究多晶硅太阳电池的生产、使用过程的碳排放。确定这一行业是否值得继续发 展下去，或者为其发展从技术上提供指导。 1 2 多晶硅的国内外发展现状 1 2 1 多晶硅生产工艺及产业现状 多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以 金刚石晶格形态排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这 些晶粒结合起来就结晶成多晶硅。 1 2 1 1 多晶硅的生产工艺 应用于国际多晶硅工业的生产技术主要有改良西门子工艺、硅烷热解工艺、 沸腾床工艺和冶金工艺。a f b b r a g a 等【1 1 把多晶硅生产工艺分为两大类，即化学 工艺和冶金工艺。化学法中的化合物尤其是中间产物具有高挥发性、腐蚀性和毒 性，在有水和盐酸参加时还具有爆炸性。相比之下，冶金法则更具发展前景。但在目 前使用的技术中，改良西门子工艺为主流技术，占总生产能力的6 0 ，在国际市场 起决定性作用。 ( 1 ) 西门子法 1 9 5 5 年由西门子公司开发，1 9 5 7 年开始工业化生产。其主要工艺是用h 2 还原 s i h c l 3 ，在硅芯发热体上沉积多晶硅。由于能耗高，效率低，不能实现闭路循环生产， 有污染等问题很快便被改良西门子法所替代。 ( 2 ) 改良西门子法 改良西门子法也称闭环式s i h c l 3 氢还原工艺，是在西门子工艺基础之上，增加了 还原尾气干法回收系统和s i c h 氢化工艺，实现了闭路循环。其工艺流程如图1 一l 所 示。 目前全世界7 0 8 0 的多晶硅是采用改良西门子工艺生产的，改良西门子法 是目前最成熟，投资风险最小的多晶硅生产工艺。目前美、德、日等国都在对该技 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 术进行研究开发。 冈 i - h _ 一 图1 1 改良西门予法示意图 f i g 1 - 1 p r o c e s so f m o d i f i e ds i e m e n s 礁 ( 3 ) 沸腾床工艺 一 沸腾床工艺也叫流化床工艺。由美国联合碳化物公司研发。其工艺过程是将 s i c h 、i - 1 2 、h c l 和工业硅在高温高压流化床内生成s i h c l 3 ，再将其进一步歧化 加氢反应生成s i h 2 c 1 2 ，继而生成硅烷气。把硅烷气通入小颗粒硅粉的流化床反应 炉进行连续热分解反应生成粒状多晶硅产品。应用这种方法生产的公司主要有美 国的h e m l o c k 和m c 公司、德国的w a c k e r 公司和挪威的r e c 公司。沸腾床工艺的 优点是：生产效率高、电耗低、成本低。缺点是产品纯度不高，生产安全性也不能保 证【2 引。 ( 4 ) h e m l o c k 公司的多联产工艺 p e t e r w o d i t s c h 和w o l f g a n gk o c h 报道了美国h e m l o c k 主要用于电子级多晶硅的 生产工艺f 3 】。该工艺流程为：在电弧炉内由c 还原s i 0 2 形成冶金级硅。冶金级硅和 h c i 在流化床炉内反应生成h s i c l 3 ，h s i c l 3 经提纯后产生半导体级h s i c l 3 ，然后和 h 2 一起在化学气相沉积炉内沉积在被加热的硅棒之上。由气相沉积炉内排出的 h c i ，h s i c l 3 和h 2 被回收再进入循环系统，而半导体级的h 2 s i c l 2 和s i c h 以及光纤 生扬划盘堂亟堂焦论毫 维级的s i c h 贝j j 被排出。这一工艺流程实际上由四大环节构成，即冶金硅制备工艺、 流化床制备h s i c l 3 工艺、h s i c l 3 纯化工艺和c v d 工艺过程。其最大特点是容易形成 高纯度多晶硅，尤其是易形成电子级多晶硅。文献 4 1 认为制备太阳能级多晶硅最直 接和最经济的方法就是将金属硅低成本提纯制成太阳能级多晶硅，而不是采用电 子级硅的精细化学提纯工艺。 ( 5 ) 硅烷热解工艺 1 9 5 6 年由英国标准电讯实验所研发成功。该法与改良西门子法接近，只是其中 间产品是s i h 4 而不是s i h c l 3 。s i i - h 可以f l j s i c l 4 氢化、硅合金分解、氢化物还原、硅 的直接氢化等方法制得，然后将硅烷气提纯并在热分解炉中生产纯度较高的棒状多 晶硅【2 。硅烷可以热分解直接生成多晶硅，其纯度比西门子法可提高一个数量级， 达到1 1 1 2n ，但综合生产成本却很高 4 】。 ( 6 ) 冶金工艺 1 9 9 6 年，日本k a w a s a k is t e e l 公司开发了由冶金硅生产太阳能级多晶硅的工艺， 该工艺采用电子柬和等离子冶金技术并结合定向凝固技术完成。主要工艺流程如 图1 - 2 所示。 图1 2 冶金工艺流程图 f 姆1 - 2 p r o c e s sf l o ws h e e tf o r m e t a u u r g y 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 1 2 1 2 多晶硅产业现状 ( 1 ) 国外 半导体硅具有耐高温、耐高压、可靠性高、效率高、寿命长等优点，成为太阳 能电池的主体材料。国际上9 8 以上的太阳能电池是利用硅材料制备的，硅的纯度 越高，光电转换效率也越高，因此，多晶硅成为全球电子工业和光伏产业的基石【2 】。 5 0 2 0 l o 年，全球太阳能电池的1 0g w 产量中，多晶硅约占90 0 0 m w ，因此多晶硅 产业的发展具有广阔的市场。目前多晶硅材料生产技术基本被美、日和德国的7 大 公司所垄断。美国的h e m l o c k 、姬m c 等公司，德国的w a c k e r 公司和日本的 t o k u y a w a 和三菱公司产能占全球产能的9 5 以上，而且在2 0 0 6 - 2 0 1 0 年都有较大幅 度的扩产量。据里昂证券公司分析师m i c h a e lr o g o l 预测，n 2 0 l o 年国际7 大商产多 晶硅总量达6 50 0 0t ，中国和俄罗斯总量达1 00 0 0t ，连同其它新扩建厂家的产能， 全球合计将达8 50 0 0t ；根据国外多晶硅生产厂商最新公告的扩产计划和第三届慕 尼黑太阳能硅会议发布的信息统计表明，至u 2 0 1 0 年，国外七大多晶硅生产商产量为 6 50 5 0t 。预测美国、德国、法国、荷兰、挪威、西班牙近年新建多晶硅厂的生产 能力可达1 00 0 0t ，连同冶金法产能合计，2 0 1 0 年全球多晶硅生产能力将达1 0 万t 【6 1 。 值得一提的是，全球七大主要生产商都将多晶硅材料作为战略性物资，对其它国 家实行技术封锁，严格控制多晶硅材料的技术扩散。 ( 2 ) 国内 我国从上世纪7 0 年代开始建设了约1 0 家多晶硅生产小厂，后因技术落后，能 耗高，产品质量差而多数关闭，仅有洛阳单晶硅厂的多晶硅生产线和峨嵋半导体 厂总量约6 0 t a m 两条生产线保留了下来。9 0 年代末期，峨嵋半导体厂建立了1 0 0 t a 多晶硅生产线。直至2 0 0 5 年，国内多晶硅产能一直没有超过1 0 0t 。2 0 0 6 年，我 国光伏产业生产能力约为14 5 0 m w ，需多晶硅材料1 万余吨，而当年国内产能仅为 4 0 0t 左右。2 0 0 7 年，四川省在乐山建设了年产l2 6 0t 多晶硅生产线并将洛阳中硅的 3 0 0t 生产线扩建成10 0 0 t ，总能力将达2 4 0 0t 。2 0 0 6 - 2 0 1 0 年，洛阳中硅、峨嵋半导 体材料厂、四川新光硅业科技有限公司等拟扩建项目产能达1 5 2 0 0t a 。江苏新时 鱼扬划盔堂亟堂位论玄 代高新能源有限公司、宁夏阳光硅业有限公司和江苏大金集团万州多晶硅项目新 建多晶硅产能预计可达1 3 0 0 0t a ，西门子法在我国2 0 0 6 - 2 0 1 0 年产能总量可达 3 5 3 6 0 f fa 。 益阳晶鑫新能源科技实业有限公司等利用冶金法生产能力将达8 0 0 0t a 。尚有黄河上游水电开发公司、内蒙古多晶硅公司等都在进行项目的前期工作【4 】。 1 2 2 多晶硅电池制作流程 多晶硅太阳能电池制作流程主要包括原料的处理、硅片的制备、电池片的制 备、模块的制备以及系统的制备，具体的产业链流程如图1 3 所示。 _ 一薹_ ? 垂喾 。| ! ；| i。 。赫。 薯蔓 圆圈圈盈墨冒墨圈墨 蠢瀛9 编确；基 图1 - 3 太阳能产业链 f 迎1 - 3 s o h re n e r g yi n d u s t r yc h a i n 多晶硅通常采用定向凝固法、浇注法以及电磁连铸的方法制备多晶硅锭，其 原理如图l _ 4 所示。目前企业中较多采用的是定向凝固的方法( h p h e m ，目前国内企 业人员也普遍称之为d s s ( d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ns y s t e m ) ) 1 9 7 5 年，德国瓦克( w a c k e r ) 公司在国际上首先利用浇注法制备多晶硅材料，用 来制作太阳能电池，但铸造多晶硅太阳能电池转换效率要比直拉单晶硅低1 - 2 。 铸造多晶硅虽然含有大量的晶粒、晶界、位错和杂质，但省去了高费用的晶体拉 制过程，所以成本较低，而且能耗也较低，在国际上得到广泛的应用。目前铸造 多晶硅己占太阳能电池材料5 3 以上，成为主要的太阳能电池材料【7 t 8 1 。由于浇注 法制备多晶硅较为繁琐，需要使用两个高纯石英坩埚，费用较定向凝固法高( h e m ) ， 但产品质量相差不大，所以目前多晶硅铸锭企业中普遍采用定向凝固的的方法来 获得大晶粒尺寸的铸造多晶硅锭。 詹晓燕多晶硅一光伏系统全生命周期碳排放研究7 图1 - 4 多品硅礁制各方法示意圈 f i g 1 - 4p r e p a r a t i o no fp o l y s i l i c o na n c h o r 多晶硅硅锭制备完成后采用线锯将其切割成几百微米厚的薄片，切片原理如 喜 图l 一5 所示，目前企业中广泛采用线锯切割，其中线锯中的金属丝通常采用的是铜 丝，直径约为2 2 0 户m ，铜丝带动碳化硅微粉切割硅锭，切下的电池片厚度大约在 2 2 0 3 8 0 户m 的范围内。 彩彩 一。 笺乒。纛熬 _ 。j 令参霪壤； 蕾攀一 黝磊鼍鬻攀夥”黧 f i g 1 - 5p r e p a r a t i o no fs o l a rc e l ls l i c e 接下来的工序即为电池片的制备，电池片的制备通常包括以下步骤：制绒一清 洗一扩散一刻蚀一氧化物的去除一表面成膜一电极印刷( 正反面) f 氐温烘干一背场 印刷低温烘干一高温烧结一测试分档等共十四个步骤。清洗的目的是为了去除硅 片表面的金属玷污、有机玷污、自然氧化膜等，这些杂质会严重的影响电池的品 墨 扬划态堂亟堂焦迨塞 质和成品率；表面腐蚀是为了去掉在硅片切割过程中出现的损伤层，通常采用线锯 切割后损伤层的厚度约为1 0 - 2 0 t m 厚；制绒为了有效的降低硅片表面的发射，有效 的制绒能增加硅片表面的对太阳光的接收面积，目前单晶硅电池的绒面呈倒金字 塔状；扩散是为了获得有效的p n 结；刻蚀能有效的防止短路；表面成膜是利用薄 膜干涉原理，可使光的反射降低，从而大大的提高转换效率；电极能有效的收集 电子与空穴，通常采用银铝混合浆来制备电极；最后将制备好的电池片串联起来 即为太阳能电池模块。 1 3 光伏系统的评价方法 1 3 1l c a 方法的概念演绎 目前，l c a 尚属于动态概念，不同国家或组织对l c a 的理解不甚相同，国际 标准化组织( i s o ) 和国际环境毒理学和化学学会( s e t a c ) 以及联合国环境规划 署( u 惦p ) 的定义最具权威性，目前研究者引用最多的也是这三个组织的定义。 国际标准化组织( i s o ) 的定义为：“生命周期评价是对一个产品系统的生命 周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。 国际环境毒理学和化学学会( s e t a c ) 的定义为：“生命周期评价是一种对产 品、生产工艺以及活动对环境的压力进行评价的过程，它是通过对能量和物质利 用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和量化来进行的。其目的在于评估能量 和物质利用，以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利 用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和活动的整个周期。其包括原材料提取 与加工，产品制造、运输以及销售，产品的使用、再利用和维护，废物循环和最 终废物弃置。 联合国环境规划署( 切惦p ) 的定义为：“生命周期评价是评价一个产品系统 生命周期整个阶段：从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场销售、使 用、再使用和产品维护，直到再循环和最终废物处置的环境影响工具。” 詹晓燕多晶硅- 光伏系统全生命周期碳排放研究 9 1 3 2l c a 方法的应用 l c a 最早起源于对包装品的环境问题的评价，当时称为资源与环境状况分析 ( r e s o u r c e sa n de v i r o n m e n t a lp r o m ea n a l y s i s ，r e p a ) ，其标志为1 9 6 9 年美国中西部 资源所( m r ) 开展的可口可乐公司的饮料包装评价f 9 】。在经历7 0 年代发展期的 相对沉默后，8 0 年代末期随着区域性与全球性环境问题的日益严重，以及全球环 境意识的加强、可持续发展行动计划的兴起，大量r e p a 研究重新开始。 ( 1 ) 国外 对生命周期倡议资助的机构包括饮料盒与环境联盟( a c e ) ，美国塑料委员 会( a p c ) ，欧洲塑料生产者协会( a p m e ) ，国际采矿与金属协会( i c m m ) ， 通用汽车和一些政府机构，可以看出国外对于l c a 的工业应用，既包括最初的材 料领域，又发展到了化工、冶金、汽车等部门。 k e n n e t hj m a r t c h e k ( 2 0 0 6 ) 等 1 0 依据模型对全球铝业研究并作清单分析。数 据来自19 5 0 年政府机构和地方铝业协会提供的年度统计和最新的由国际铝研究 协会提供的l c i ( 2 0 0 2 年) 。该模型第一次定量地提供了年度全球铝业的l c i 数 据。结果包括一个全球主要市场的铝业产品清单，有系统损失、再循环利用和可 选资源需求以及气体排放。 m a r i a - d o l o r e sb o v e a ( 2 0 0 7 ) 等【l l 】针对西班牙c a s t e l l 6 n 省地中海沿岸的陶瓷 工业，运用l c a 检验对环境有最大影响的阶段和单元过程。系统边界包括陶瓷生 产的所有阶段，采矿设备中开采、处理粘土以及分配给使用者。数据来自西班牙 股份有限公司w b b ，使用了一个敏感性分析和三个不同的影响评价方法，然而得 出的结论是相似的，挖掘、装载、运输到加工设施，以及堆置，排放了大量的污 染物，是对环境造成巨大影响的单元过程。 2 0 0 0 年，欧盟发布了代号为2 0 0 0 5 3 e c 的报废汽车回收指令，在2 0 1 5 年只 填埋大约5 的车重，这意味着汽车工业必需考虑到汽车报废时的回收利用，以重 新设计他们的产品。i v a n m u o z o r t i z 等 1 2 1 运用l c a ，比较现有汽车的塑料门板和 一种为循环设计的新型门板。结果表明，在生产阶段和生命后期阶段，新型门板 减少了对环境的影响，其中毒性指标降低了1 8 ，垃圾填埋降低了8 0 。 ! q 扬捌太堂亟堂僮迨塞 , 6 a - i n e eo n g m o n g k o l k u l 等【”】对泰国的造纸板盒运用l c a ，系统边界从原生纸 浆或者旧纸箱到产品，研究了生命周期每个过程的材料、资源、能源的使用和对 环境的排放。在影响评价方面，分析了5 种环境潜在影响，即全球变暖，酸化， 富营养化，光化学臭氧生成( 烟雾形成) ，以及固体废物的产生。结果表明，对 环境影响最重要的过程是使用之后旧纸箱的填埋。在能源使用方面，纸制厂的干 燥工序影响最大；在固体废物方面，板和箱的生产影响最大。 ( 2 ) 国内 国内对于l c a 的运用比较晚，开始于2 0 世纪末，发展较快的行业包括包装、 材料、汽车、冶金等，对比国外，应用范围窄，以下是国内一些工业运用l c a 的 案例。 邹治平( 2 0 0 3 ) 等【1 4 】应用生命周期分析法( l c a ) ，对风力发电的电厂用材 冶炼、材料运输、电厂建设这3 个阶段进行分析，分别计算3 个阶段中的单位能耗 和环境影响，并与燃煤发电进行比较。结果表明，每发1 0 m w h 电量，风力发电可 节省3 7 31t 标准煤，减少排放粉尘0 4 9 8 8 7t ，c 0 2 9 9 3 5t ，n o x 0 0 4 9 9 8 7 2t ， s 0 2 0 0 7 8 8 5t 。 陈红( 2 0 0 4 ) 等运用l c a 讨论了p e ，p p ，g p p s 及p v c4 种高分子材料的 环境影响问题。系统边界包括原油的开采、运输、提炼、聚合体的产生、废弃物 的处置，但是不包括材料的使用阶段。结果表明，材料生产的环境影响不仅与资 源消耗有关，而且与其各自的工艺环节有着密切的关系。 吴锐( 2 0 0 5 ) 等【16 】运用l c a ，对以天然气为原料生产压缩天然气、甲醇、二 甲醚、柴油4 种汽车代用燃料系统进行生命周期的能源、环境和经济评价。系统边 界从天然气井口开始，到燃料使用并排入大气环境结束。依据4 种代用燃料的详细 清单数据，结果是压缩天然气系统生命周期内的能耗相对少，总成本相对低，对 生态环境更友好。 何静( 2 0 0 6 ) 等【1 6 以株洲冶炼厂为例，运用生命周期评价对锌加工过程中产 生的环境影响进行系统的研究。系统边界包括干燥、焙烧、浸出、净化、电解、 锌产品生产等主体工序，以及系统内的热电生产、原材料及产品运输、废水处理 詹晓燕多晶硅一光伏系统全生命周期碳排放研究 1 1 等辅助工序，未考虑锌冶炼系统外的电、焦炭、煤及铅锌开采、锌材料的使用及 回收、运输等过程。结果表明，渣处理工序贡献了8 7 4 9 的酸化指数，2 7 4 1 的 g e r ，6 6 7 的g w p 和8 7 4 9 的a p ，是全厂环境影响主要承担者。 林琳( 2 0 0 8 ) 等【1 8 】以我国建设中的装机容量为2 5 m w 的秸秆直燃发电系统为 研究对象，采用生命周期评价的方法系统、全面地评价了它对生态环境的显见和 潜在的影响。系统边界包括化石能源的开采和常规电力的生产、生物质直燃发电 电站建设、生物质获取阶段、运输阶段、发电阶段，未考虑电站报废和相应的废 弃物处理。 1 3 3 太阳能光伏系统的全生命周期研究现状 妒。 w h u b e r ( 1 9 9 5 ) 等 1 9 】对硅光伏系统的全生命周期进行了分析。 h k o i n i y 锄“1 9 9 6 ) 等【2 0 】运用生命周期分析的方法，比较了两种情况下太阳 能电池系统电站建设的二氧化碳排放量，即将日本生产的电池组件安装在印尼电 站以及将日本生产的电池组件的安装在日本电站。结果显示在印尼的电站单位电 力的二氧化碳排放量少于在日本的电站。主要由于印尼的太阳能资源更丰富。 f r a n zt r i e b ( 1 9 9 7 ) 等【2 1 】从技术、费用和环境影响方面研究了太阳能电力生产。 k a z u h i k o 勋t 0 ( 1 9 9 7 ) 等圆从全生命周期的观念出发，研究了来自半导体工业废 弃的硅光伏系统。以3 k w 民用光伏系统为例，结果表明使用废弃回收的硅制成的 单晶硅电池片组成的民用光伏系统的能量回收周期大约为1 5 5 年，每单位电量输出 的间接二氧化碳排放为9 1g a e k w h 。 m a s a k a z ui t o ( 2 0 0 3 ) 等【2 3 】从经济和环境角度研究了在戈壁沙漠地带使用大规模 光伏发电系统的潜力。运用生命周期分析的方法估算了能量回收周期，生命周期 二氧化碳排放率，系统的生产费用。以i o o m w 的大规模光伏发电站为例，其能量 回收周期为1 7 年，二氧化碳排放率为1 2 9 c k w h 。假设光伏组件价格为l 美元侧， 系统寿命为3 0 年，得到发电费用为8 6 c e n t k w h 。 s k r a u t e r ( 2 0 0 4 ) 等 2 4 1 充分考虑地点、每个零部件的生产、运输、安装、运行和 回收，同时也考虑了一些原料是回收再利用的，从全生命周期角度出发，计算了 1 2扬划盍堂亟堂焦途塞 太阳能光伏减少温室气体排放的能力。 r k a n n a n ( 2 0 0 6 ) - 等 2 5 1 以新加坡的一个2 7 k w p 的太阳能光伏系统为例，研宄其 能量回收周期，温室气体减排潜力，费用。考虑了建设阶段、运行阶段、废弃阶 段。结果显示此太阳能光伏系统单位发电量的温室气体排放是涡轮发电机组的四 分之一，是燃气联合发电机组的二分之一，但其电费是燃油或燃气电厂的五至七 倍多。 s e r g i op a c c a ( 2 0 0 7 ) 等 2 6 】研究了影响光伏系统的全生命周期能量回收周期、二 氧化碳排放、尽能量率的参数。研究表明，太阳辐射强度、组件的位置、组件太 阳辐射的转换效率等影响最终的分析结果。 m a s a k a z ui t o ( 2 0 0 9 ) 等t 2 7 】对六种不同光伏组件的大规模光伏系统的全生命周期 进行了分析。考虑了采矿阶段、生产阶段、运输阶段、电厂建设、运行阶段，计 算了系统的能量回收周期、二氧化碳排放率。结果显示薄膜电池的大规模光伏系 统的能量回收期为1 8 年，最短。二氧化碳排放率为4 3 - 5 4 9 - c 0 2 k w h 。 1 4 小结 本章首先介绍了多晶硅的生产工艺及产业现状及太阳能电池的制作流程，然 后综述了i _ c a 的概念演绎以及其在国内外的研究现状，最后主要介绍了国外一些 关于太阳能光伏系统生命周期的研究。从国内外研究状况来看，国外对于太阳能 光伏系统的全生命周期的研究主要在能耗及能量回收期方面，而国内还较少涉及 太阳能光伏系统的全生命周期的研究，更不用说全生命周期的碳排放了，本文正 是基于这样一个背景进行相关研究。 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 1 3 2 研究内容、方法和技术路线 2 1 研究内容 本人从全生命周期的角度出发，研究多晶硅光伏系统主要生产环节的碳排放。 先研究了改良西门子法生产2 0 0 吨多晶硅，1 0 0 0 吨多晶铸锭及5 7 0 0 万片切片， 2 8 0 m w 电池片及电池组件3 家企业全生命周期的碳排放以及1 m w 电池组件的碳 排放；接着考虑工业信息部多晶硅行业准入条件 2 明对多晶硅行业能耗、规模 的要求，对实例数据进行修正，研究校正后多晶硅光伏系统的碳排放以及相应的 i m w 电池组件的碳排放；并将上述结果与现行的火力发电行业的碳排放比较，研 究光伏系统的减排能力、碳回收期及其影响因素。 衍： 具体研究内容如下： ( 1 ) 多晶硅光伏系统的生产环节 多晶硅光伏系统产业链由工业硅、多晶硅料、多晶硅碇、多晶硅片、多晶硅 电池片、多晶硅光伏组件、光伏系统平衡组件等生产环节组成。 ( 2 ) 多晶硅光伏系统的碳排放环节 多晶硅光伏系统碳排放的来源包括：消耗能源产生的碳排放、消耗资源产生 的碳排放、厂房建设产生的碳排放、设备生产产生的碳排放、运输过程产生的碳 排放、处理废弃物产生的碳排放。 ( 3 ) 碳排放模型的建立 依据多晶硅光伏系统包含的各个环节，考虑产品的全生命周期建立多晶硅 光伏系统的碳排放模型。 ( 4 ) 相关系数的研究 ( 5 ) 实例研究 以多晶硅光伏系统产业链上3 家主要生产环节为例，研究其全生命周期的碳 排放。 ( 6 ) 规模校正后的碳排放 根据多晶硅行业准入条件中的规模和能耗的要求，研究校正系数，后计 ! 璺扬删盔堂亟堂僮途塞 算得到校正后多晶硅光伏系统全生命周期的碳排放以及对应的i m w 多晶硅光伏 系统的碳排放。 ( 7 ) 多晶硅光伏系统的碳减排能力、碳回收期、影响碳回收周期的相关因素。 2 2 研究方法 本文运用l c a 方法研究多晶硅一光伏发电系统的碳排放，并通过数学方法建立 这一系统的碳排放计算模型。研究方法如下所示： ( 1 ) 运用l c a 方法对多晶硅光伏发电系统的碳排放环节做全面的分析和解 剖。 ( 2 ) 运用数学方法建立碳排放模型。 ( 3 ) 对现有的多晶硅光伏企业进行剖析，计算在既定的多晶硅生产规模下， 光伏组件的碳排放；对多晶硅规模进行修正，得到修正后光伏组件的碳排放。 ( 4 ) 与火力发电比较，得到其减排能力的优越性，并对多晶硅光伏系统的碳 排放回收期进行敏感性分析。 詹晓燕多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 1 5 2 3 技术路线 ： ： 困回圆圈圃 图2 - 1 技术路线图 f i 9 2 - 1t e c l m o i o g yr o a d m a p 詹晓燕多晶硅- 光伏系统全生命周期碳排放研究 1 7 3 多晶硅光伏系统碳排放环节分析 3 1 多晶硅光伏系统 多晶硅光伏系统即以多晶硅为原料的太阳能光伏系统，包括工业硅、多晶硅 料、