一引言

太陽能是地球上最豐富的能源，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量是目前探明能源總儲量的一萬倍[1]，同時太陽能是取之不盡，用之不竭的，是可以持續(xù)利用的能源。而化石能源如煤、石油、天然氣等，儲量日益減少，且?guī)砹藝乐氐沫h(huán)境污染問題，于是近幾年光伏發(fā)電行業(yè)得到快速發(fā)展。圖1為中國、日本、美國及世界其他國家太陽電池產(chǎn)量[2]。客觀分析了光伏發(fā)電技術(shù)的清潔程度，通過時空多尺度分析和全生命周期評價方法，計算光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率和CO2排放量，并探討重金屬排放和SiCl4的問題。計算結(jié)果表明,光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率為13.6，每安裝1kW的光伏組件所發(fā)電量相當于減排CO224.3t。光伏發(fā)電技術(shù)較常規(guī)能源發(fā)電技術(shù)在減少CO2和污染物排放方面都具有很大優(yōu)勢，是清潔的發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電；CO2；重金屬摘要：關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電行業(yè)得到快速發(fā)展的同時，有人對光伏發(fā)電技術(shù)的清潔程度表示憂慮[3]，主要表現(xiàn)在CO2減排能力、重金屬排放和SiCl4等問題。本文將應(yīng)用時空多尺度分析和全生命周期評價分析方法對這幾個問題進行計算與分析，以探討光伏發(fā)電技術(shù)清潔與否。

二分析方法

1多尺度分析

太陽電池是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，光伏發(fā)電是光電轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換過程以電子為介質(zhì)，不涉及碳元素的化學(xué)反應(yīng)，沒有任何污染物的產(chǎn)生和排放，是完全清潔的過程。但此過程是在極小、極短時間內(nèi)的微觀尺度下進行的。研究某個系統(tǒng)，要把這一系統(tǒng)定位在合適的時空尺度范圍內(nèi)。太陽能取之不盡、用之不竭是相對人類而言，若把時空尺度放大到宇宙、億年的層次上，太陽也有終結(jié)時，這一過程為100億年左右。顯然用億年的時間尺度來探討人類活動過大，這一尺度就人類而言就是無窮盡的。將光伏發(fā)電放在人類的時空尺度(年、米)下探討，從礦石熔煉多晶硅到光伏系統(tǒng)發(fā)電直至報廢這一過程約為20年左右。

2全生命周期評價分析

根據(jù)多尺度分析把研究范圍定義在太陽電池從產(chǎn)生到報廢的20年內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境產(chǎn)生的負荷包括系統(tǒng)從產(chǎn)生到報廢的各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的影響，即用生命周期評價方法分析。生命周期評價是通過對能量和物質(zhì)的利用及由此造成的環(huán)境廢物排放進行識別和量化的一種評價方法。評價貫穿于產(chǎn)品、工藝和活動的整個生命周期，包括原材料提取與加工、產(chǎn)品制造、運輸及銷售；產(chǎn)品的使用、再利用和維護；廢物循環(huán)和最終廢棄處理。商品化太陽電池的生命周期應(yīng)包括[4]：(1)晶體硅冶煉，獲得冶金級晶體硅；(2)太陽能級硅精煉，晶體硅硅片制取；(3)光伏組件制作；(4)光伏發(fā)電通過電網(wǎng)輸送給用戶的過程；(5)報廢后處理。太陽電池全生命周期過程如圖3所示。按照生命周期分析方法，電池組件壽命20年，每天日照按4.7h計算，在其壽命內(nèi)發(fā)電時間為20×365×4.7=34310h，1kW的電池組件在其壽命內(nèi)發(fā)電量為34310kWh。從制造光伏發(fā)電系統(tǒng)的能耗來看，將光伏系統(tǒng)生產(chǎn)過程中所有能量消耗折合為電能，高純多晶硅材料制備，硅錠、硅片的生產(chǎn)三步工藝消耗能量最高為2205kWh/kWp，占到總能量的72.5%，框架及配套部件耗能320kWh/kWp，則多晶硅光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)總能耗為2525kWh/kWp[5]。用光伏系統(tǒng)的能量輸出和能量消耗的比值可以計算出光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率為13.6%。

三光伏發(fā)電減排CO2能力分析

近年來隨著中國經(jīng)濟的高速增長，溫室氣體的排放量也迅速增加，從1990年到2008年，中國人均CO2的排放量增加近兩倍。盡管每年人均CO2排放量為4.92t，略高于每人每年4.39t的全球平均值，但由于人口眾多，2008年CO2排放總量達到了60.18億t[6]，成為全球碳排放第一大國，2009年則達到64億t[7]。光伏發(fā)電過程中不排放溫室氣體和任何廢棄物，不會污染環(huán)境，是理想的清潔能源，推廣應(yīng)用光伏發(fā)電是減少CO2排放量的有效措施。在光伏系統(tǒng)輸出電能時，可避免當?shù)仉姀S發(fā)出同等電能所產(chǎn)生溫室氣體的排放。但正如前面所述，在光伏發(fā)電的生命周期中是有CO2排放的，多晶硅光伏系統(tǒng)組件的生產(chǎn)總能耗為2525kWh/kWp。1kW的光伏組件可發(fā)電34310kWh，按中國單位發(fā)電量的CO2排放因子764g/kWh[8]計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)CO2排放量為56g/kWh。光伏發(fā)電和常規(guī)能源發(fā)電的碳排放量對比如圖4[9]所示，可計算出在中國目前發(fā)電CO2排放因子水平下，光伏組件每發(fā)電1kWh可減排CO2708g，每安裝1kW光伏組件在全生命期20年內(nèi)可減少CO2排放總量24.3t。

四重金屬

中國常規(guī)能源發(fā)電主要為煤發(fā)電，煤中元素種類眾多，除了一些主量元素，還含有很多重金屬元素，如As、Cd、Ni、Hg、Cr等[10]。重金屬主要指密度在5g/cm3以上的金屬,它會造成生物體中毒，對土壤、水體、大氣造成污染。這些重金屬元素及其形成的化合物以煙霧或塵埃狀態(tài)散布在大氣中，數(shù)量非常大，且治理困難。我國運行的發(fā)電機組發(fā)電煤耗在0.374kg/kWh左右，可計算出每發(fā)電1kWh因燃燒煤炭而排放的重金屬量，數(shù)據(jù)如表1所示。光伏發(fā)電重金屬排放主要來源于光伏組件的生產(chǎn)過程仍需使用化石能源的部分，以及光伏組件的材料，如薄膜電池中的鎘等。各種光伏發(fā)電技術(shù)的重金屬排放值都在0.03mg/kWh以下[11]。將光伏發(fā)電的重金屬排放與煤發(fā)電做比較得到圖5、圖6，結(jié)果表明光伏發(fā)電的重金屬排放量遠低于煤發(fā)電的排放量。

五四氯化硅

高純度硅是生產(chǎn)太陽電池所需的核心原料。目前80%以上的多晶硅都采用“改良西門子法”生產(chǎn)[12]，SiCl4為副產(chǎn)品，該物質(zhì)有毒，會對環(huán)境造成污染。國際上，一般每生產(chǎn)1kg多晶硅可產(chǎn)生8～10kgSiCl4。完整的“改良西門子法”是將生成的SiCl4加氫還原成SiHCl3，再經(jīng)過氫氣還原成多晶硅，從而形成閉路循環(huán)過程。但生產(chǎn)經(jīng)驗表明，無論是SiCl4加氫還原，還是SiHCl3的還原效率都較低，因此尋找更有效的方法將SiCl4還原成多晶硅是多晶硅生產(chǎn)過程減少SiCl4排放的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外主要處理方法如下[13]：1SiCl4直接還原生產(chǎn)此法與加氫生成SiHCl3相比，工藝流程更簡單，但還原速度慢、還原溫度更高。但因原料成本幾乎不計，綜合能耗和SiHCl3法基本相當。2VLD法[14]VLD(VaportoLiquidDeposition)工藝是在更高的溫度(1500℃)下將SiCl4用氫氣還原。由于溫度的提高，還原速度較1200℃時快10倍左右，且為連續(xù)化生產(chǎn)。即使考慮除碳工藝，其生產(chǎn)成本也低于西門子工藝，是生產(chǎn)太陽電池用多晶硅的低成本方法。3金屬鋅還原SiCl4[15]金屬鋅還原法是20世紀50年代研究成功的方法，其基本原理是利用鋅和硅的化學(xué)活性差異。金屬鋅還原法轉(zhuǎn)化效率高、反應(yīng)速度快(瞬時完成)、產(chǎn)品純度可滿足太陽電池用多晶硅的要求。該方法已在日本建立了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)線。4金屬鎂還原SiCl4[16]金屬鎂的化學(xué)活性更強，易采用升華法進行提純，因此得到的多晶硅純度更高。陽極得到的氯氣可與工業(yè)硅反應(yīng)生產(chǎn)SiCl4，也可作為西門子工藝中的氯氣原料生產(chǎn)SiHCl3。此工藝易實現(xiàn)鎂和氯的閉路循環(huán)，既增加了多晶硅的產(chǎn)量，又有效地解決了副產(chǎn)品——SiCl4的綜合利用問題，實現(xiàn)了高效、綠色循環(huán)的工藝。