基于全生命周期的太陽能光伏的節能分析

趙騰飛 王星晨 蔣偉 徐菊萍 朱潔 楊新亞 李春瑩 陽季春

摘 要：文章運用生命周期評價（1ife cycle assessment，LCA）的分類、特征化、量化處理的方法，對太陽能光伏的全過程進行全生命周期的影響評價。通過收集其資源消耗量和污染物排放量，建立全生命周期資源消耗及污染物排放清單，計算得到能量回收周期Energy Pay-Back Time（EPBT）（指在一定的時間內獲得與系統總投入的能耗的比值）與綜合碳排放及環境污染處理費用和能量投資回收周期Energy Pay-Back Time'（EPBT'）（指在一定的時間內獲得和生產處理中碳排放中能耗與系統總投入能耗的比值），并得到相應的資源消耗系數和環境影響潛值。

關鍵詞：全生命周期 太陽能 投資回收期 節能分析

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0143-02

太陽能光伏是我國“十二五”時期新能源領域重點發展方向，也是我國最具競爭力的出口商品之一。作為典型的“三頭在外-九成以上產品出口”的產業，其全生命周期價值不禁引發我們的思考。

太陽能光伏產業以全生命周期的能量回收期和費用投資回收期的角度進行考慮時，真的是一種節能產業嗎？

為何有些報紙，言論刊登國內的光伏產業是“耗自己的電，為別人節能”？[1]

為何一些專家認為，我國太陽能光伏產業是在為國外用戶輸送清潔能源，卻消耗了大量國內能源，這種“國內耗能、國外節能”的出口創匯模式得不償失，亟須引起重視。[1]

帶著這些問題，我們小組七人，將此作為大學生節能減排的課題研究方向，在嘉興學院暖通空調研究所陽老師的指導下，參考相關論文研究，利用全生命周期（LCA）的方法，并以此為切入點，將生命周期評價（LCA）這種全新的方法，應用到太陽能光伏在建筑應用中的節能分析中，對太陽能多晶硅電池板系統的綜合效益進行評價，重點考慮環境效益，結合經濟、技術指標進行全面分析，計算得出太陽能光伏在全生命周期中分別不考慮碳排放和考慮碳排放及污染處理的能量投資回收周期與費用投資回收周期。希望可以為各機務段開展清潔生產提供方法上的指導，為環境政策決策者提供借鑒，為企業環境管理者提供行為改善依據，同時也為光伏產業提供產品改進的方法作為參考。

1 太陽能光伏企業發展現狀和研究所存在的不足

我們通過查閱、分析大量的文獻資料，對有關太陽能光伏產業全生命周期的論述做了較為全面的總結。舉例如下：

辛同升，楊昌鳴等[2]在“集合住宅中太陽能技術應用研究”一文中，以建筑節能為出發點，以集合住宅為對象，研究太陽能技術在建筑中的綜合應用。研究重點是如何實現太陽能技術與建筑的有機結合，從三個方面進行了闡述：

（1）以當地氣候環境為前提選擇合適的太陽能技術；

（2）太陽能技術的應用需與建筑功能要求和美學形態相協調；

（3）多項太陽能技術的搭配使用。

文中主要涉及的是全生命周期中的規劃、設計階段，研究太陽能技術在規劃、設計的過程中，如何通過與建筑的良好結合來達到節能的目的。

周俊，趙敬德，劉成波等[4]在“基于全生命周期的太陽能光伏建筑能耗評價”一文中，給出了建筑全生命周期的定義：建筑物料生產、建筑規劃、設計、施工、運營維護及建筑拆除、物料回收過程。

主要針對太陽能光伏建筑進行了全生命周期的能耗分析（包括光伏系統的初始能耗、光伏系統的建造能耗、光伏系統的運行能耗、光伏系統的拆除能耗）、對能量回收周期和碳排放進行了計算分析。

以上資料表明，關于太陽能光伏全生命周期的研究只是從單一角度進行了簡單的可行性評價以及環境效益評價，并沒有從整體考慮全面、詳細的環境影響評價及在各個階段所帶來的資源的損耗，研究具有局限性，這正是太陽能光伏產業所存在的一個漏洞，若考慮到全生命周期中光伏產業中的碳排放及對環境的影響是不是會有不一樣的結果呢？

2 全生命周期評價的定義

2.1 全生命周期評價（LCA）

全生命周期評價（LCA-Life Cycle Assessment）是對一個產品系統的生命周期輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價過程，該文主要包括對生產階段、建造階段、運行階段、拆除階段和污染治理的能耗評價。以“太陽能光伏”為對象，通過查找資料文獻，實地調研，利用公式分析計算，得出傳統的能耗投資回收期EPBT與綜合生產，處理中碳排放及環境污染治理的能耗投資回收期EPBT'的結果，分析比較兩者的能耗并以目前碳排放折算額進行計算其在全生命周期過程的節能分析。

2.2 全生命周期評價在太陽能建筑中的應用

（1）傳統的建筑物全生命周期能耗[4]主要是由四部分組成：

（2）生產能耗，包括建筑物原材料的開采、生產能耗等。

（3）運輸及安裝工程能耗，包括施工人員能耗、設備機器能耗等。

（4）運行能耗，設備（制冷系統、鍋爐、水泵、電梯等）的運行能耗、設備維護能耗等。

回收能耗，包括建筑物拆除、處理能耗和廢物回收利用能耗等。

除了傳統意思上的四部分能耗，有關其太陽能光伏垃圾處理，對周圍土壤、大氣的影響也是必不可少的考慮因素。

3 太陽能光伏建筑能耗的全生命周期分析

3.1 分析基礎建筑及能耗假設

我們小組采取假定條件的方式，以嘉興地區的三口之家，平均建筑面積為120 ㎡為例，結合實際假定平均每一家所需的用電量12 kwh。

對于太陽能建筑，我們采取一年6個月為指標，取平均日照度為600 W/㎡，太陽能電池板光電轉換效率為15%。計算可得提供三口之家一日所需的用電量需要88.9 ㎡的多晶硅太陽能電池板。

3.2 太陽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將建筑在其全生命周期的不同階段中的各種能耗相加 ，分析其各個階段的能耗使用情況，由此著手對某階段的能耗使用進行優化改造的方法。該文所指的物化能包括建筑的生產能耗、建造能耗和拆除能耗三部分，運行能只包含運行階段所需要的能耗，在此基礎上，我們增加了垃圾對環境污染及處理中所帶來的能耗。

3.2.1 基于全壽命周期太陽能光伏建筑能耗分析理論基礎

（1）光伏系統的能耗計算公式[4]。

①光伏系統的生產能耗計算：

（1）

式中：Ec為光伏系統的初始能耗，kWh；為硅材料的物化能，kWh ；為電池板組裝、成型的物化能，kWh；m為太陽能電池板的個數。Es1為太陽能建筑的初始能耗，可看成生產太陽能電池板所需的物化能。它由三部分構成：玻璃、玻璃纖維和鍍鋅鐵的物化能。

計算公式為：

（2）

式中：Es2a為硅片成型的物化能，kWh；Es2b為模塊組裝的物化能，kWh。

②光伏系統的運輸及工程安裝能耗計算：

（3）

式中：Ej為光伏系統的建造能耗，kwh ；

Gz為運輸設備 每公里消耗燃料的能量，kWh/km；

S為運輸光伏材料的總路程 ，km；

Ez為人員安裝作業所消耗的能耗 ，kW h。

③光伏系統的運行能耗計算：

（4）

式中：Ey為投人運行階段光伏系統的運行能耗（此為產出能耗，加負號），kwh；Et為照射到光伏電池板表面的年輻射能，kWh/year；為光伏電池板的光電轉化效率，%；n為正常運行年數，year。

④光伏系統的拆除能耗計算

E2 （5）

式中：Eh為光伏系統拆除能耗，kWh；E1為拆除作業能耗，kWh；E2為報廢材料運輸耗量，kwh。

（2）太陽能光伏建筑的能量回收周期計算公式。

為了知道一套光伏系統在建筑中應用的可行性及效果，必須對其在其生命周期內分析其能耗投入產出的比例。傳統的能量投資回收期 Energy Pay-Back Time （EPBT）是指在一定的時間內系統總投入的能耗與產出能耗的比值。新型的能量投資回收期Energy Pay-Back Time'（EPBT'） 是指在一定的時間內生產處理中碳排放和環境治理中能耗與系統總投入能耗的比值。其計算公式如下：

（6）

（7）

（3）太陽能光伏建筑的碳排放分析。

太陽能作為一種清潔能源，在污染物控制排放方面有著明顯的優勢。在計算排放量時，通常會通過碳排放系數Ci這一指標來衡量。對于光伏系統 ，其年碳排放量計算公式如下[4]：

（8）

式中：Ci為第i種原料的碳排放系數，。

（4）計算結果及分析。

建立的嘉興某三口之家建筑用電情況：

建筑120㎡房屋面積，單位面積用電量36 kWh，年用電量4320 kWh，

保留城市電網和光伏發電兩種系統，保證太陽光照不足時的照明負荷。照明計算時間為16∶00～22∶00。

①光伏系統的生產能耗。

將該生產能耗中各子過程的能耗折算為標煤，并僅考慮各子過程的CO2的排放。得出其標煤量為：2600 kg/kWp 和柴油量：34 kg/kWp。

又得生產l㎡光伏電池板的Es2a和Es2b 分別為：120 kWh/㎡和190 kWh/㎡。該建筑一天所用光伏系統的總有效面積為88.9㎡，將其代入式（1）、（2）得該太陽能電池板組件全生命周期中，需消耗一次能源總量為260369 kWh。

②光伏系統的運輸及安裝能耗。

材料運輸能耗和安裝作業能耗。取材料運輸路程平均值200 km，系統太陽能電池組件重900 kg，取平均運輸柴油消耗為0.063L/t×km×kg（柴油密度0.84 kg/L，價格取6元/L），得GxS=11.4L。安裝作業能耗：此安裝工程需兩名工人花一天時間完成，按每人每天120元的安裝費計算總價約為310元，再以電價折算成能耗，由式（3）得Ej=620 kwh。

③光伏系統的運行能耗。

此光伏電池系統提供建筑照明負荷、空調及用電設備。按額定功率計算得用戶系統使用平均每天使用總功率為8000 kwh。照明系統白天正常由城市電網供應，太陽能電池板白天存儲的電量供應16：00～23：005個小時的照明用電，按居民用電電價0.5元/kWh。

Ey=0.6×300×6x15%×100-4320=11880 kWh

④系統的拆除能耗。

拆除能耗主要由拆除作業能耗和廢物運輸能耗兩部分。根據文獻[8]，拆除能耗按建造能耗的90%計算；參照建造能耗，廢物運輸能耗按平均運輸里程200 km，折合成電費為279元，由式（5）得Ec=558 kWh。

⑤碳排放計算。

從國際“碳交易”的方面看[9]，中國在履行《京都協議書》的時候可以每年向購買我們碳排量額度的國家節省一定量的碳交易額。平均每1t碳需要的交易額為30元，即排放價格：30元/t。則生產，運行中合成碳排放計算：

由系統計算能耗和式（8）計算可得該光伏系統的碳排放量為二氧化碳平均排放量為3.9 t/kWp，價格為117元/kWp，所需功率為1.2 kWp的光伏電池板。電池板的總有效面積為10 m，總消耗費用為12×117=1404元，折合成能耗為2080 kwh

⑥不考慮碳排放的能量回收期計算。

按照式（6）計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，在合理的范圍之內舊。即該光伏系統正常運行22年多的時間即可收回初始增加成本。

⑦考慮碳排放及污染治理的能量回收期計算。

按照式（7）計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不考慮碳排放，污染處理的費用回收周期計算。

電價0.5元/kWh，標煤價格0.77元/kg，平均運輸柴油消耗為0.063L/t×km×kg，柴油密度0.84kg/L，價格取6元/L。

費用回收周期為：

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

⑨考慮碳排放及污染治理的費用回收周期計算。

電價0.5元/kWh，標煤價格0.77元/kg，碳排放總消耗費用為12×117=1404元，廢水處理總費用為46.08元，四氯化硅熱氫化處理費用600元/kWp，總計7200元。

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

備注：由于實際運用中，對逆變器及鉛酸蓄電池的具體型號壽命難以計算，故上述回收期未考慮器費用。

若考慮到鉛酸電池對土壤的污染太陽能發電系統現大都使用鉛酸蓄電池[12]，該電池內含有大量的鉛、銻、鎘、硫酸等有毒物質，而節能燈燈管中也含有有毒的稀土三基色熒光粉和液體汞。這些蓄電池和燈管的壽命都不長，一般為5年，發電站的一般為8年左右，燈管的使用壽命則更短，所以更換蓄電池和燈管的頻率比較高。

以五年更換一次，共需四次，一立方米土壤修復所產生的費用為2240元，總費用為2240×4/5940=1.5year考慮到鉛酸電池廢棄所導致污染土壤的體積每增加1立方米，則費用回收期和能量回收期都約增加1.5年。若進行全面的實地調研，土壤實驗，其回收期將不止1.5年，甚至會超出更多。

4 結語

計算結果可以看出，比較兩者投資回收期，考慮碳排放及環境污染治理的能量投資回收期為23.84年，比傳統的能量投資回收期22.02年多1.82年，考慮土壤的危害則為25.34年，比傳統的能量回收期多3.32年。同理，費用投資回收周期比傳統的費用投資回收周期多1.24年，考慮土壤的危害則為15.31年，比傳統的費用投資回收期多2.74年。因此，可以看出，太陽能光伏系統的從全生命周期方面考慮，需要將投資回收期作為一個重要參考。

計算結果表明，單純考慮經濟利益回報，光伏產品對于用戶來說，能夠起到節能減排的作用。但是對于光伏生產時的廢水、廢氣，更換使用后的鉛酸蓄電池在環境中造成的大量污染，而由此的治理成本卻被無形轉嫁給了社會公眾。

那么目前大力推廣的光伏產業，其光鮮亮麗的綠色外表下，是否也暗暗隱藏若干年后其帶來的環境惡化的苦果？還有待進一步證實。

參考文獻

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[9] http：//www.tanjiaoyi.com/碳交易

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[11] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1993.

[12] 王浩，胡慶年，林星，等.鉛污染事故生態環境損失評估——以臺州鉛蓄電池企業為例[J].中國環境管理，2013，5（2）：30-35.