光伏系统能量偿还时间的分析

上海电力学院太阳能研究所 杨金焕

1.概述

光伏发电是无污染的清洁能源，不过在制造光伏系统过程中，也需要消耗一定能量。有不少人对于光伏系统所产生的能量是否能够补偿制造过程中所消耗的能量表示怀疑，甚至有人认为光伏发电是得不偿失。

衡量一种发电系统是否有效的指标之一是：能量偿还时间（EPBT），其定义是：在系统寿命周期内输入的总能量与系统运行时每年产生的能量之比率，两者使用同样单位，都用一次能源或者用电能来表达。

式中，

Ein是光伏系统寿命周期内输入的总能量，包括制造、安装、运行以及最后寿命周期结束，拆除系统和处理废物所需要的外部输入的全部能量；

Eg是光伏系统运行时每年输出的能量。EPBT的单位是年，显然能量偿还时间越小越好。

光伏系统能量返还时间取决于一系列复杂的条件，输入的能量与很多因素有关，如太阳电池的类型（如单晶硅、多晶硅、非晶硅还是其他薄膜电池）、工艺过程、封装材料和方式等；方阵的框架及支撑结构；配套部件（BOS）的材料（包括箱体、元件等）和工艺；有时还有蓄电池。此外还要加上在安装、运行以及最后寿命周期结束，拆除系统和处理废物时所需要的能量，特别是还要考虑人员的劳动所付出的能量。

光伏系统输出的能量也与很多因素有关，如太阳电池和配套部件的使用寿命及其性能和效率、光伏系统的类型（如离网系统还是并网系统）、当地的地理及气象条件，系统的设计是否合理，方阵倾角是否恰当，安装过程有无不当，维护管理的情况等。除此以外，还有一些并不与发电系统本身直接有关的间接因素。

在20世纪90年代初，国外开始大量进行光伏系统能量偿还时间的分析研究，其中最有影响的是荷兰乌德勒支大学Alsema E.A.，他建立了多晶硅、单晶硅、薄膜电池组件和配套部件所需要能量的“最佳估计”方法，发表了多篇有关论文。他在1998年7月发表的的论文中，分析比较了各国发表的十多篇公认为合理的参考文献，通过分析和计算，最后得出的结论是对于多晶硅组件系统的能量偿还时间有很大的不同，从高估计的8年到低估计的3～4年。未来屋顶安装的光伏系统可以期望多晶硅组件和非晶硅组件的能量偿还时间分别降低到1.7年和1.2年。

Knapp K.E.和Theresa L.Jester于2000年6月发表论文，提出两个因素决定了光伏组件的能量偿还时间，即生产过程和系统实际应用中分别消耗和产生多少能量。在生产过程中消耗的能量包括直接消耗的能量和使用的原材料所消耗的能量。他们根据西门子太阳能公司的实际产量和消耗的能源，计算出单晶硅电池的能量偿还时间为3.3年。

2004年5月美国俄亥俄州奥柏林学院的Murray M.E.发表了论文，对于安装在该校屋顶的58.65 kW单晶硅组件并网光伏系统进行了具体的分析和计算，考虑了光伏组件和配套部件等全部能量消耗后，得出能量偿还时间为7.3年。

美国可再生能源实验室在2004年1月发表了研究报告“PV FAQs”（ DOE/GO-102004-2040），指出：目前的技术对于多晶硅组件能量偿还时间为4年，预期将来为2年。薄膜电池组件用目前的技术为3年，预期将来为1年。两种光伏系统的能量偿还时间见图1。

国际能源署（IEA-PVPS），欧洲光伏技术讲坛（EPTP）和欧洲光伏工业协会（EPIA）在2006年5月联合发表报告“Compared assessment of selected environmentalindicators ofphotovoltaic electricity in OECD cities”，在世界范围内调查现有关于光伏系统能量输入的研究，报告提供了清晰而详细的轮廓，全部光伏系统（不单有组件，还包括配套部件，连接电缆和电子器件等）的能量偿还时间取决于当地的太阳辐照情况，对于26个经合组织（OECD）国家41个主要城市进行了分析计算，详细列举了这些城市的光伏单位功率年发电量、能量返还因子和光伏单位功率每年相当于减少CO2排放量。结论是：对于屋顶安装并网光伏系统的能量偿还时间为1.6～3.3年，如朝向赤道垂直安装则为2.7～4.7年。最好的是澳大利亚珀斯，最差的是英国的爱丁堡。

Gaiddon B.等人随后发表了：“Environmental Benefits of PV Systems in OECD Cities”的文章，对分析的依据和方法进行了阐述，指出上述结论主要是针对城市中采用标准多晶硅组件的并网光伏系统的情况。

由于光伏方阵的朝向及倾角对于并网光伏系统的发电量有着重大的影响，考虑到城市中在光伏与建筑一体化应用的具体情况，现讨论以下两种常见情况：

＊朝向赤道，方阵安装倾角为30°的屋顶并网光伏系统；

＊光伏方阵朝向赤道垂直安装，即倾角为90°，如作幕墙使用。

再根据当地的太阳辐照资料，计算单位功率（1kW）多晶硅并网光伏系统每年的发电量。

根据欧、美9个现代光伏制造厂统计，对于并网多晶硅光伏系统所消耗的电能见表1。

表1 每千瓦并网多晶硅光伏系统所消耗的电能

最后分别算出41个城市的并网光伏系统能量偿还时间，得出OECD国家光伏系统能量偿还时间范围如表2所示。

表2 OECD国家光伏系统能量偿还时间范围

2008年9月绿色和平组织和欧洲光伏工业协会（EPIA）联合发表的“Solar Generation V-2008”研究报告中援引了Alsema等人在21届欧洲太阳能光伏会议上发表的论文，结论是对于不同种类的太阳电池组件（单、多晶，硅带和薄膜）和地点（南、北欧）光伏系统的能量偿还时间在1～3.6年之间（见图2）。

2 相关参数的计算

2.1 光伏系统运行时每年输出的能量

离网光伏系统所产生的有效发电量除了取决于光伏方阵容量、当地的气象和地理条件以及现场的安装、运行情况等因素以外，还要受到蓄电池容量及维持天数的限制，情况比较复杂。所以本文主要讨论并网光伏系统的情况。

单位功率并网光伏系统每年输出的能量通常可以用以下公式计算：

式中，Eout为单位功率光伏系统每年输出的能量，单位是kWh/（kW·年）；

Ht为倾斜方阵面上全年接收到的太阳总辐照量，单位是kWh/（m2·年）除以1kW/m2即每年的峰值日照时数；

P0为光伏系统额定功率1kW；

PR(Performance Ratio)为系统综合效率。

由于光伏方阵的朝向及倾角对于并网光伏系统的发电量有着重大的影响，考虑到城市中在光伏与建筑一体化应用的具体情况，（IEA-PVPS）联合报告中分析了方阵倾角是30°和垂直安装即倾角为90°的两种情况。然而，不同城市纬度相差很大，都用方阵倾角是30°来比较并不合理，因此稍作修正，讨论以下两种常见的情况：

○朝向赤道，按照方阵最佳倾角安装的并网光伏系统，方阵最佳倾角是指方阵在该倾角时当地全年能接收到最大太阳辐照量所对应的倾角。

○光伏方阵朝向赤道垂直安装，即倾角为90°。

PR是除了组件以外的整个系统效率，包括直流输入和交流输出两大部分损耗，根据统计和分析，参照前面国际能源署光伏系统项目研究报告中的数据，考虑平均用PR=75%来计算。

2.2 光伏系统在寿命期间输入的总能量

在生产过程中，不同类型的太阳电池组件，单位功率所消耗的电能也不相同，而且不同的工艺、生产规模等也有影响。以目前常用的几种电池比较，同样功率的单晶硅电池消耗的能量最多，其次是多晶硅电池，非晶硅电池消耗的能量最少。以下都用多晶硅电池来进行比较。

对于多晶硅并网光伏系统，平均单位功率所消耗的电能应用表1的结果，即每kW多晶硅并网光伏系统消耗的电能是2525kWh。

对于中国28个主要城市，按照上述的技术指标，进行了分析计算。其中当地水平面上的太阳辐照量，是根据国家气象中心发表的1981～2000年中国气象辐射资料年册的测量数据取平均值。并且依照Klein.S.A和Theilacker.J.C（1981年）所提出的计算方法，算出不同倾斜面上的月平均太阳辐照量并进行比较，得到当地全年能接收到的最大太阳辐照量Ht，其相应的倾角作为并网光伏方阵最佳倾角，同样确定朝向赤道垂直安装时方阵面上全年接收到的太阳辐照量。其余参数的计算方法均按上述。计算得出中国部分城市并网光伏系统的能量偿还时间如表3所示。

3 结论

表3 中国部分城市并网光伏系统的能量偿还时间

在中国部分主要城市中，朝向赤道，按照方阵最佳倾角安装和垂直安装的并网光伏系统，能量偿还时间最短的是拉萨，分别只有1.57年和2.50年；最长的是重庆，分别为3.76年和6.92年。在计算中没有计入运输、安装、运行以及最后寿命周期结束，拆除系统和处理废物所需要外部输入的能量，但是根据分析，这些分摊到太阳电池的单位功率（W）上所需能量不大，对于能量偿还时间影响很小，为了谨慎起见，即使将以上数值除以0.8，对拉萨而言，也分别只有1.96年和3.13年；重庆则分别增加为4.70年和8.65年。当然对于单晶硅电池，能量偿还时间会稍有增加，而薄膜电池则有所减少。

总之，光伏系统在整个寿命周期（目前为30年，以后可望增加到35年）内，所产生的能量，远大于其制造、运输、安装、运行等全部输入的能量，而且随着技术的发展，光伏系统的制造、安装过程中消耗的能量还将不断下降，能量偿还时间将进一步缩短，光伏发电确实是值得大力推广的清洁绿色能源。

[1]Alsema.E.A,Frankl.P,Kato.K.Energyback time of photovoltaic energy systems:present status and prospects [C].2nd World Conference on Photovoltaic Solar Conversion,Vienna,1998

[2]K.Knapp;T.L.Jester,An Empirical Perspectiveon the Energy Payback Time for PV modules[C].Solar 2000 Conference,Madison,WI,June 16-21,2000.

[3]Gaiddon B,Jedliczka M,Villeurbanne H.Compared Assessment ofSelectedEnvironmental IndicatorsofPhotovoltaic Electrisity in OECD Cities[R].IEA PVPS Task 10,Activity 4.4 Report IEA-PVPS T10-01:2006,May 2006

[4]Klien S.A,Theilacker J.C.An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces [J].JournalofSo lar Energy Engineering,1981,103:29～33.