晶體硅光伏組件的全壽命周期介紹(1)

1 我國光伏情況及晶體硅光伏組件制造流程

1.1 我國光伏產業概況

近10 年來我國光伏產業發展迅速，但我國不僅要成為光伏大國，更要成為光伏強國。我國太陽電池的產量迅速增加，并從2007年起連續9年保持全球第一；2016年，我國以當年新增裝機34.24 GW位居世界第一，累計裝機容量達77.42 GW；我國光伏產品價格在近10年間下降為原來的1/10，促成全球28個國家已實現光伏可與常規能源競爭的“平價上網”。圖1為2011～2016年我國光伏新增裝機情況。

圖1 2011～2016年我國光伏新增裝機情況

1.2 晶體硅光伏組件制造流程

晶體硅光伏組件制造流程較長，共包括多晶硅提純、硅片制造、電池制造、組件封裝4 個生產環節，其制造流程如圖2所示。

2 光伏組件生產過程污染物及處理處置

2.1 晶體硅光伏組件生產過程中的污染物

生產制造過程會產生一定的廢氣、廢水或固體廢物，統稱為“三廢”，晶體硅光伏組件的制造過程也不例外。圖3 展示了光伏制造過程中產生的“三廢”的種類、主要產生環節及處理措施。光伏制造過程中產生的絕大部分污染物經簡單處理后即可達到國家安全排放標準，處理過程簡單且工藝成熟，對環境影響較小；但對于個別光伏生產行業特有的污染物，如四氯化硅、廢砂漿及氟化物，下文將詳細介紹其處理過程。

圖2 晶體硅光伏組件制造流程

2.2 光伏組件制造過程中的特有污染物

2.2.1 四氯化硅的去向

四氯化硅具有強腐蝕性，遇空氣后分解為硅酸和劇毒的氯化氫氣體，是一種會對環境造成很大影響的物質。在多晶硅暴利時代，隨意排放四氯化硅對環境造成了很大影響，引發了民眾恐慌，我國光伏產業也因此被扣上“高污染”的帽子。

近年來，隨著行業環保意識的增強、技術研發力度的加大和行業劣質產能的淘汰，高純多晶硅生產過程產生的四氯化硅經過收集和提純，通過氫化反應轉化為三氯氫硅，并返回到生產工序中熱解生成高純多晶硅，實現了四氯化硅閉環回用零排放。

四氯化硅的閉環回收再利用不僅減少了環境風險，更帶來了可觀的經濟價值，四氯化硅中硅元素的回收再利用實現了有害物質到有經濟價值物質的轉換。在當前成本壓力下，企業都積極進行四氯化硅回收再利用以達到利潤最大化。圖4為四氯化硅去向示意圖。

圖3 光伏制造過程中產生的主要污染物

圖4 四氯化硅去向示意圖

2.2.2 廢砂漿的回用

廢砂漿產生于硅片切割工序。廢砂漿中含有切割過程中產生的廢聚乙二醇、廢硅粉和廢碳化硅，大量排放有機物聚乙二醇會造成水體富營養化，對生態環境造成極大的破壞。為降低廢砂漿對環境的影響，減少生產成本和資源消耗量，光伏行業現已實現廢砂漿的回收再利用。切割過程產生的廢砂漿直接進入收集缸，取出后由處理工廠回收處理，回收出純度合格的聚乙二醇、碳化硅甚至硅粉，可直接用作砂漿切割液回用到硅片切割工序，實現廢砂漿的回收再利用。圖5為廢砂漿回收示意圖。

圖5 廢砂漿回收示意圖

2.2.3 氟化物的處理

氟化物是一種對生態環境帶來嚴重危害的物質。氟化物主要產生于硅料和硅片的清洗環節，其排放形式有兩種：廢水和廢氣。工廠建有專門的含氟廢水處理池，通常情況下經過沉淀后，氟化物可沉淀在處理池底部形成污泥。每隔一段時間，污泥被取出作為制作空心磚的原料。含氟廢氣不可直接排放，在排放前需經過水性溶液的淋洗。在淋洗過程中，氟化物被收集在水溶液中形成含氟廢水，被收集后入含氟廢水處理池進行處理。圖6為氟化物處理示意圖。

圖6 氟化物處理示意圖

3 光伏發電的應用

3.1 太陽能資源取之不盡、用之不竭、可再生并潔凈環保

太陽一刻不停地向茫茫宇宙空間輻射著大量的電磁波，其中射向地球的那部分，向地球輸送了大量的光和熱。據粗略估計，太陽每分鐘向地球輸送的熱能約是 250 億億 cal (1 cal=4.1868 J)，相當于燃燒4億t煙煤所產生的能量。地球在一年中從太陽獲得的能量，相當于人類現有各種能源在同期內所提供的能量的上萬倍。地球上的化石能源(如煤、石油等)可能有枯竭的那一天，而太陽能卻是“取之不盡，用之不竭”的[1]。

3.2 我國幅員遼闊，太陽能資源豐富，發展光伏發電資源優勢明顯

我國太陽能資源豐富，且總體表現出“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的資源分布特點。青藏高原太陽能資源最為豐富，年總輻射量普遍超過1800 kWh/m2，部分地區甚至超過 2000 kWh/m2。

根據年太陽總輻射量的多少，可劃分為最豐富、很豐富、豐富、一般4個等級。青藏高原及內蒙古西部是我國太陽總輻射資源“最豐富區”(＞1750 kWh/m2)，占全國陸地面積的19.7%；以內蒙古高原至川西南一線為界，其以西、以北的廣大地區是資源“很豐富區”，普遍為1400～1750 kWh/m2，占全國陸地面積的46.2%；東部的大部分地區資源量一般為1050～1400 kWh/m2，屬于資源“豐富區”，占全國陸地面積的30.4%；四川盆地由于海拔較低且全年多云霧，一般不足1050 kWh/m2，是資源“一般區”，約占全國陸地面積的3.7%。圖7為我國太陽能年總輻射量分區。

圖7 我國太陽能年總輻射量等級分區

3.3 光伏發電原理先進，發電形式極為簡潔

光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，是采用太陽電池將光能轉換為電能的發電方式。太陽電池的基本原理為半導體的光伏效應，即在太陽光照射下產生光電壓現象。圖8為光伏發電原理圖。 光伏發電利用太陽電池這種半導體電子器件有效吸收太陽光輻射能，實現直接從光子到電子的轉換，無中間過程(如熱能-機械能、機械能-電磁能轉換等)和機械運動。

圖8 光伏發電原理圖

實驗室研究的單個p-n 結單晶硅電池效率最高已接近25%；而多個p-n 結的化合物半導體電池效率已超過40%。

3.4 光伏發電系統的運行發電無需燃料和水源

有光照的地方就可使用光伏發電系統，其不受海拔、地域等因素制約，應用范圍廣泛。

3.5 光伏發電系統建造、運維操作簡便

光伏組件結構簡單，體積小且重量輕，便于運輸；易于建造安裝、拆卸遷移；可根據不同系統容量，實現模塊化安裝，而且易于隨時擴大發電容量，大幅縮短了建設周期。

光伏發電系統不會產生噪聲，且操作維護簡單，系統運行穩定性、可靠性提高。隨著自動控制技術的發展，光伏發電系統可實現無人值守運行，運行維護成本大幅降低。 (待續)