基于全生命周期的太阳能光伏的节能分析

赵腾飞 王星晨 蒋伟 徐菊萍 朱洁 杨新亚 李春莹 阳季春

摘 要：文章运用生命周期评价（1ife cycle assessment，LCA）的分类、特征化、量化处理的方法，对太阳能光伏的全过程进行全生命周期的影响评价。通过收集其资源消耗量和污染物排放量，建立全生命周期资源消耗及污染物排放清单，计算得到能量回收周期Energy Pay-Back Time（EPBT）（指在一定的时间内获得与系统总投入的能耗的比值）与综合碳排放及环境污染处理费用和能量投资回收周期Energy Pay-Back Time'（EPBT'）（指在一定的时间内获得和生产处理中碳排放中能耗与系统总投入能耗的比值），并得到相应的资源消耗系数和环境影响潜值。

关键词：全生命周期 太阳能 投资回收期 节能分析

中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0143-02

太阳能光伏是我国“十二五”时期新能源领域重点发展方向，也是我国最具竞争力的出口商品之一。作为典型的“三头在外-九成以上产品出口”的产业，其全生命周期价值不禁引发我们的思考。

太阳能光伏产业以全生命周期的能量回收期和费用投资回收期的角度进行考虑时，真的是一种节能产业吗？

为何有些报纸，言论刊登国内的光伏产业是“耗自己的电，为别人节能”？[1]

为何一些专家认为，我国太阳能光伏产业是在为国外用户输送清洁能源，却消耗了大量国内能源，这种“国内耗能、国外节能”的出口创汇模式得不偿失，亟须引起重视。[1]

带着这些问题，我们小组七人，将此作为大学生节能减排的课题研究方向，在嘉兴学院暖通空调研究所阳老师的指导下，参考相关论文研究，利用全生命周期（LCA）的方法，并以此为切入点，将生命周期评价（LCA）这种全新的方法，应用到太阳能光伏在建筑应用中的节能分析中，对太阳能多晶硅电池板系统的综合效益进行评价，重点考虑环境效益，结合经济、技术指标进行全面分析，计算得出太阳能光伏在全生命周期中分别不考虑碳排放和考虑碳排放及污染处理的能量投资回收周期与费用投资回收周期。希望可以为各机务段开展清洁生产提供方法上的指导，为环境政策决策者提供借鉴，为企业环境管理者提供行为改善依据，同时也为光伏产业提供产品改进的方法作为参考。

1 太阳能光伏企业发展现状和研究所存在的不足

我们通过查阅、分析大量的文献资料，对有关太阳能光伏产业全生命周期的论述做了较为全面的总结。举例如下：

辛同升，杨昌鸣等[2]在“集合住宅中太阳能技术应用研究”一文中，以建筑节能为出发点，以集合住宅为对象，研究太阳能技术在建筑中的综合应用。研究重点是如何实现太阳能技术与建筑的有机结合，从三个方面进行了阐述：

（1）以当地气候环境为前提选择合适的太阳能技术；

（2）太阳能技术的应用需与建筑功能要求和美学形态相协调；

（3）多项太阳能技术的搭配使用。

文中主要涉及的是全生命周期中的规划、设计阶段，研究太阳能技术在规划、设计的过程中，如何通过与建筑的良好结合来达到节能的目的。

周俊，赵敬德，刘成波等[4]在“基于全生命周期的太阳能光伏建筑能耗评价”一文中，给出了建筑全生命周期的定义：建筑物料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及建筑拆除、物料回收过程。

主要针对太阳能光伏建筑进行了全生命周期的能耗分析（包括光伏系统的初始能耗、光伏系统的建造能耗、光伏系统的运行能耗、光伏系统的拆除能耗）、对能量回收周期和碳排放进行了计算分析。

以上资料表明，关于太阳能光伏全生命周期的研究只是从单一角度进行了简单的可行性评价以及环境效益评价，并没有从整体考虑全面、详细的环境影响评价及在各个阶段所带来的资源的损耗，研究具有局限性，这正是太阳能光伏产业所存在的一个漏洞，若考虑到全生命周期中光伏产业中的碳排放及对环境的影响是不是会有不一样的结果呢？

2 全生命周期评价的定义

2.1 全生命周期评价（LCA）

全生命周期评价（LCA-Life Cycle Assessment）是对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价过程，该文主要包括对生产阶段、建造阶段、运行阶段、拆除阶段和污染治理的能耗评价。以“太阳能光伏”为对象，通过查找资料文献，实地调研，利用公式分析计算，得出传统的能耗投资回收期EPBT与综合生产，处理中碳排放及环境污染治理的能耗投资回收期EPBT'的结果，分析比较两者的能耗并以目前碳排放折算额进行计算其在全生命周期过程的节能分析。

2.2 全生命周期评价在太阳能建筑中的应用

（1）传统的建筑物全生命周期能耗[4]主要是由四部分组成：

（2）生产能耗，包括建筑物原材料的开采、生产能耗等。

（3）运输及安装工程能耗，包括施工人员能耗、设备机器能耗等。

（4）运行能耗，设备（制冷系统、锅炉、水泵、电梯等）的运行能耗、设备维护能耗等。

回收能耗，包括建筑物拆除、处理能耗和废物回收利用能耗等。

除了传统意思上的四部分能耗，有关其太阳能光伏垃圾处理，对周围土壤、大气的影响也是必不可少的考虑因素。

3 太阳能光伏建筑能耗的全生命周期分析

3.1 分析基础建筑及能耗假设

我们小组采取假定条件的方式，以嘉兴地区的三口之家，平均建筑面积为120 ㎡为例，结合实际假定平均每一家所需的用电量12 kwh。

对于太阳能建筑，我们采取一年6个月为指标，取平均日照度为600 W/㎡，太阳能电池板光电转换效率为15%。计算可得提供三口之家一日所需的用电量需要88.9 ㎡的多晶硅太阳能电池板。

3.2 太阳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将建筑在其全生命周期的不同阶段中的各种能耗相加 ，分析其各个阶段的能耗使用情况，由此着手对某阶段的能耗使用进行优化改造的方法。该文所指的物化能包括建筑的生产能耗、建造能耗和拆除能耗三部分，运行能只包含运行阶段所需要的能耗，在此基础上，我们增加了垃圾对环境污染及处理中所带来的能耗。

3.2.1 基于全寿命周期太阳能光伏建筑能耗分析理论基础

（1）光伏系统的能耗计算公式[4]。

①光伏系统的生产能耗计算：

（1）

式中：Ec为光伏系统的初始能耗，kWh；为硅材料的物化能，kWh ；为电池板组装、成型的物化能，kWh；m为太阳能电池板的个数。Es1为太阳能建筑的初始能耗，可看成生产太阳能电池板所需的物化能。它由三部分构成：玻璃、玻璃纤维和镀锌铁的物化能。

计算公式为：

（2）

式中：Es2a为硅片成型的物化能，kWh；Es2b为模块组装的物化能，kWh。

②光伏系统的运输及工程安装能耗计算：

（3）

式中：Ej为光伏系统的建造能耗，kwh ；

Gz为运输设备 每公里消耗燃料的能量，kWh/km；

S为运输光伏材料的总路程 ，km；

Ez为人员安装作业所消耗的能耗 ，kW h。

③光伏系统的运行能耗计算：

（4）

式中：Ey为投人运行阶段光伏系统的运行能耗（此为产出能耗，加负号），kwh；Et为照射到光伏电池板表面的年辐射能，kWh/year；为光伏电池板的光电转化效率，%；n为正常运行年数，year。

④光伏系统的拆除能耗计算

E2 （5）

式中：Eh为光伏系统拆除能耗，kWh；E1为拆除作业能耗，kWh；E2为报废材料运输耗量，kwh。

（2）太阳能光伏建筑的能量回收周期计算公式。

为了知道一套光伏系统在建筑中应用的可行性及效果，必须对其在其生命周期内分析其能耗投入产出的比例。传统的能量投资回收期 Energy Pay-Back Time （EPBT）是指在一定的时间内系统总投入的能耗与产出能耗的比值。新型的能量投资回收期Energy Pay-Back Time'（EPBT'） 是指在一定的时间内生产处理中碳排放和环境治理中能耗与系统总投入能耗的比值。其计算公式如下：

（6）

（7）

（3）太阳能光伏建筑的碳排放分析。

太阳能作为一种清洁能源，在污染物控制排放方面有着明显的优势。在计算排放量时，通常会通过碳排放系数Ci这一指标来衡量。对于光伏系统 ，其年碳排放量计算公式如下[4]：

（8）

式中：Ci为第i种原料的碳排放系数，。

（4）计算结果及分析。

建立的嘉兴某三口之家建筑用电情况：

建筑120㎡房屋面积，单位面积用电量36 kWh，年用电量4320 kWh，

保留城市电网和光伏发电两种系统，保证太阳光照不足时的照明负荷。照明计算时间为16∶00～22∶00。

①光伏系统的生产能耗。

将该生产能耗中各子过程的能耗折算为标煤，并仅考虑各子过程的CO2的排放。得出其标煤量为：2600 kg/kWp 和柴油量：34 kg/kWp。

又得生产l㎡光伏电池板的Es2a和Es2b 分别为：120 kWh/㎡和190 kWh/㎡。该建筑一天所用光伏系统的总有效面积为88.9㎡，将其代入式（1）、（2）得该太阳能电池板组件全生命周期中，需消耗一次能源总量为260369 kWh。

②光伏系统的运输及安装能耗。

材料运输能耗和安装作业能耗。取材料运输路程平均值200 km，系统太阳能电池组件重900 kg，取平均运输柴油消耗为0.063L/t×km×kg（柴油密度0.84 kg/L，价格取6元/L），得GxS=11.4L。安装作业能耗：此安装工程需两名工人花一天时间完成，按每人每天120元的安装费计算总价约为310元，再以电价折算成能耗，由式（3）得Ej=620 kwh。

③光伏系统的运行能耗。

此光伏电池系统提供建筑照明负荷、空调及用电设备。按额定功率计算得用户系统使用平均每天使用总功率为8000 kwh。照明系统白天正常由城市电网供应，太阳能电池板白天存储的电量供应16：00～23：005个小时的照明用电，按居民用电电价0.5元/kWh。

Ey=0.6×300×6x15%×100-4320=11880 kWh

④系统的拆除能耗。

拆除能耗主要由拆除作业能耗和废物运输能耗两部分。根据文献[8]，拆除能耗按建造能耗的90%计算；参照建造能耗，废物运输能耗按平均运输里程200 km，折合成电费为279元，由式（5）得Ec=558 kWh。

⑤碳排放计算。

从国际“碳交易”的方面看[9]，中国在履行《京都协议书》的时候可以每年向购买我们碳排量额度的国家节省一定量的碳交易额。平均每1t碳需要的交易额为30元，即排放价格：30元/t。则生产，运行中合成碳排放计算：

由系统计算能耗和式（8）计算可得该光伏系统的碳排放量为二氧化碳平均排放量为3.9 t/kWp，价格为117元/kWp，所需功率为1.2 kWp的光伏电池板。电池板的总有效面积为10 m，总消耗费用为12×117=1404元，折合成能耗为2080 kwh

⑥不考虑碳排放的能量回收期计算。

按照式（6）计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，在合理的范围之内旧。即该光伏系统正常运行22年多的时间即可收回初始增加成本。

⑦考虑碳排放及污染治理的能量回收期计算。

按照式（7）计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不考虑碳排放，污染处理的费用回收周期计算。

电价0.5元/kWh，标煤价格0.77元/kg，平均运输柴油消耗为0.063L/t×km×kg，柴油密度0.84kg/L，价格取6元/L。

费用回收周期为：

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

⑨考虑碳排放及污染治理的费用回收周期计算。

电价0.5元/kWh，标煤价格0.77元/kg，碳排放总消耗费用为12×117=1404元，废水处理总费用为46.08元，四氯化硅热氢化处理费用600元/kWp，总计7200元。

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

备注：由于实际运用中，对逆变器及铅酸蓄电池的具体型号寿命难以计算，故上述回收期未考虑器费用。

若考虑到铅酸电池对土壤的污染太阳能发电系统现大都使用铅酸蓄电池[12]，该电池内含有大量的铅、锑、镉、硫酸等有毒物质，而节能灯灯管中也含有有毒的稀土三基色荧光粉和液体汞。这些蓄电池和灯管的寿命都不长，一般为5年，发电站的一般为8年左右，灯管的使用寿命则更短，所以更换蓄电池和灯管的频率比较高。

以五年更换一次，共需四次，一立方米土壤修复所产生的费用为2240元，总费用为2240×4/5940=1.5year考虑到铅酸电池废弃所导致污染土壤的体积每增加1立方米，则费用回收期和能量回收期都约增加1.5年。若进行全面的实地调研，土壤实验，其回收期将不止1.5年，甚至会超出更多。

4 结语

计算结果可以看出，比较两者投资回收期，考虑碳排放及环境污染治理的能量投资回收期为23.84年，比传统的能量投资回收期22.02年多1.82年，考虑土壤的危害则为25.34年，比传统的能量回收期多3.32年。同理，费用投资回收周期比传统的费用投资回收周期多1.24年，考虑土壤的危害则为15.31年，比传统的费用投资回收期多2.74年。因此，可以看出，太阳能光伏系统的从全生命周期方面考虑，需要将投资回收期作为一个重要参考。

计算结果表明，单纯考虑经济利益回报，光伏产品对于用户来说，能够起到节能减排的作用。但是对于光伏生产时的废水、废气，更换使用后的铅酸蓄电池在环境中造成的大量污染，而由此的治理成本却被无形转嫁给了社会公众。

那么目前大力推广的光伏产业，其光鲜亮丽的绿色外表下，是否也暗暗隐藏若干年后其带来的环境恶化的苦果？还有待进一步证实。

参考文献

[1] http：//www.zgqxb.com.cn/xwbb/ylgd/guand/201207/t20120716_29443.htm相关新闻，经济参考报.

[2] 辛同升，杨昌鸣.集合住宅中太阳能技术应用研究[J].建筑学报，2006（10）：22-25.

[3] 詹晓燕.多晶硅-光伏系统全生命周期碳排放研究[D].扬州：扬州大学，2011.

[4] 周俊，赵敬德，刘成波，等.基于全生命周期的太阳能光伏建筑能耗评价[J].建筑热能通风空调，2012，31（6）：16-18，77.

[5] 周亮亮.清洁燃煤发电技术全生命周期评价[D].重庆：重庆大学，2011.

[6] 张俊翔，朱庚富.光伏发电和燃煤发电的生命周期评价比较研究[J].环境科学与管理，2014，39（10）：86-90.

[7] 谢泽琼，马晓茜，黄泽浩，等.太阳能光伏发电全生命周期评价[J].环境污染与防治，2013，35（12）：106-110.

[8] 何洋，张建强，王青，等.基于LCA方法评价多晶硅片生产的环境影响[J].四川环境，2013，32（4）：83-90.

[9] http：//www.tanjiaoyi.com/碳交易

[10] 赵永彬，陈宏平，杨拓，等.光伏废水处理工程设计[J].水处理技术，2013，39（6）：133-135.

[11] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[12] 王浩，胡庆年，林星，等.铅污染事故生态环境损失评估——以台州铅蓄电池企业为例[J].中国环境管理，2013，5（2）：30-35.