晶体硅光伏组件的全寿命周期介绍(1)

1 我国光伏情况及晶体硅光伏组件制造流程

1.1 我国光伏产业概况

近10 年来我国光伏产业发展迅速，但我国不仅要成为光伏大国，更要成为光伏强国。我国太阳电池的产量迅速增加，并从2007年起连续9年保持全球第一；2016年，我国以当年新增装机34.24 GW位居世界第一，累计装机容量达77.42 GW；我国光伏产品价格在近10年间下降为原来的1/10，促成全球28个国家已实现光伏可与常规能源竞争的“平价上网”。图1为2011～2016年我国光伏新增装机情况。

图1 2011～2016年我国光伏新增装机情况

1.2 晶体硅光伏组件制造流程

晶体硅光伏组件制造流程较长，共包括多晶硅提纯、硅片制造、电池制造、组件封装4 个生产环节，其制造流程如图2所示。

2 光伏组件生产过程污染物及处理处置

2.1 晶体硅光伏组件生产过程中的污染物

生产制造过程会产生一定的废气、废水或固体废物，统称为“三废”，晶体硅光伏组件的制造过程也不例外。图3 展示了光伏制造过程中产生的“三废”的种类、主要产生环节及处理措施。光伏制造过程中产生的绝大部分污染物经简单处理后即可达到国家安全排放标准，处理过程简单且工艺成熟，对环境影响较小；但对于个别光伏生产行业特有的污染物，如四氯化硅、废砂浆及氟化物，下文将详细介绍其处理过程。

图2 晶体硅光伏组件制造流程

2.2 光伏组件制造过程中的特有污染物

2.2.1 四氯化硅的去向

四氯化硅具有强腐蚀性，遇空气后分解为硅酸和剧毒的氯化氢气体，是一种会对环境造成很大影响的物质。在多晶硅暴利时代，随意排放四氯化硅对环境造成了很大影响，引发了民众恐慌，我国光伏产业也因此被扣上“高污染”的帽子。

近年来，随着行业环保意识的增强、技术研发力度的加大和行业劣质产能的淘汰，高纯多晶硅生产过程产生的四氯化硅经过收集和提纯，通过氢化反应转化为三氯氢硅，并返回到生产工序中热解生成高纯多晶硅，实现了四氯化硅闭环回用零排放。

四氯化硅的闭环回收再利用不仅减少了环境风险，更带来了可观的经济价值，四氯化硅中硅元素的回收再利用实现了有害物质到有经济价值物质的转换。在当前成本压力下，企业都积极进行四氯化硅回收再利用以达到利润最大化。图4为四氯化硅去向示意图。

图3 光伏制造过程中产生的主要污染物

图4 四氯化硅去向示意图

2.2.2 废砂浆的回用

废砂浆产生于硅片切割工序。废砂浆中含有切割过程中产生的废聚乙二醇、废硅粉和废碳化硅，大量排放有机物聚乙二醇会造成水体富营养化，对生态环境造成极大的破坏。为降低废砂浆对环境的影响，减少生产成本和资源消耗量，光伏行业现已实现废砂浆的回收再利用。切割过程产生的废砂浆直接进入收集缸，取出后由处理工厂回收处理，回收出纯度合格的聚乙二醇、碳化硅甚至硅粉，可直接用作砂浆切割液回用到硅片切割工序，实现废砂浆的回收再利用。图5为废砂浆回收示意图。

图5 废砂浆回收示意图

2.2.3 氟化物的处理

氟化物是一种对生态环境带来严重危害的物质。氟化物主要产生于硅料和硅片的清洗环节，其排放形式有两种：废水和废气。工厂建有专门的含氟废水处理池，通常情况下经过沉淀后，氟化物可沉淀在处理池底部形成污泥。每隔一段时间，污泥被取出作为制作空心砖的原料。含氟废气不可直接排放，在排放前需经过水性溶液的淋洗。在淋洗过程中，氟化物被收集在水溶液中形成含氟废水，被收集后入含氟废水处理池进行处理。图6为氟化物处理示意图。

图6 氟化物处理示意图

3 光伏发电的应用

3.1 太阳能资源取之不尽、用之不竭、可再生并洁净环保

太阳一刻不停地向茫茫宇宙空间辐射着大量的电磁波，其中射向地球的那部分，向地球输送了大量的光和热。据粗略估计，太阳每分钟向地球输送的热能约是 250 亿亿 cal (1 cal=4.1868 J)，相当于燃烧4亿t烟煤所产生的能量。地球在一年中从太阳获得的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供的能量的上万倍。地球上的化石能源(如煤、石油等)可能有枯竭的那一天，而太阳能却是“取之不尽，用之不竭”的[1]。

3.2 我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，发展光伏发电资源优势明显

我国太阳能资源丰富，且总体表现出“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的资源分布特点。青藏高原太阳能资源最为丰富，年总辐射量普遍超过1800 kWh/m2，部分地区甚至超过 2000 kWh/m2。

根据年太阳总辐射量的多少，可划分为最丰富、很丰富、丰富、一般4个等级。青藏高原及内蒙古西部是我国太阳总辐射资源“最丰富区”(＞1750 kWh/m2)，占全国陆地面积的19.7%；以内蒙古高原至川西南一线为界，其以西、以北的广大地区是资源“很丰富区”，普遍为1400～1750 kWh/m2，占全国陆地面积的46.2%；东部的大部分地区资源量一般为1050～1400 kWh/m2，属于资源“丰富区”，占全国陆地面积的30.4%；四川盆地由于海拔较低且全年多云雾，一般不足1050 kWh/m2，是资源“一般区”，约占全国陆地面积的3.7%。图7为我国太阳能年总辐射量分区。

图7 我国太阳能年总辐射量等级分区

3.3 光伏发电原理先进，发电形式极为简洁

光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是采用太阳电池将光能转换为电能的发电方式。太阳电池的基本原理为半导体的光伏效应，即在太阳光照射下产生光电压现象。图8为光伏发电原理图。 光伏发电利用太阳电池这种半导体电子器件有效吸收太阳光辐射能，实现直接从光子到电子的转换，无中间过程(如热能-机械能、机械能-电磁能转换等)和机械运动。

图8 光伏发电原理图

实验室研究的单个p-n 结单晶硅电池效率最高已接近25%；而多个p-n 结的化合物半导体电池效率已超过40%。

3.4 光伏发电系统的运行发电无需燃料和水源

有光照的地方就可使用光伏发电系统，其不受海拔、地域等因素制约，应用范围广泛。

3.5 光伏发电系统建造、运维操作简便

光伏组件结构简单，体积小且重量轻，便于运输；易于建造安装、拆卸迁移；可根据不同系统容量，实现模块化安装，而且易于随时扩大发电容量，大幅缩短了建设周期。

光伏发电系统不会产生噪声，且操作维护简单，系统运行稳定性、可靠性提高。随着自动控制技术的发展，光伏发电系统可实现无人值守运行，运行维护成本大幅降低。 (待续)