图1：硅光伏组件
光伏组件（图 1）等替代能源技术在世界范围内变得越来越流行。 2008年，全球对替代能源的投资首次比对化石燃料的投资吸引了更多的投资者，净资本达到1550亿美元，而石油、天然气和煤炭的新投资为1100亿美元。 2004 年，仅太阳能发电就在全球范围内创造了 65 亿美元的收入，预计 2010 年收入将增长近三倍，预计收入将达到 185 亿美元。
由于人们对污染和全球气候变化的认识和担忧日益增强，替代能源技术在世界范围内变得越来越受欢迎。替代能源技术为从对地球环境影响较小的来源获取有用能源提供了新的选择。但少了多少呢？
之前发表的硅基光伏净能量分析综述[1]发现，所有类型的硅（非晶、多晶和单晶）基光伏在其使用寿命期间产生的能量远多于其生产中使用的能量。所有现代硅光伏发电都可以在不到 5 年内收回能源成本 - 即使在高度次优的部署场景中也是如此。
本文探讨了与硅光伏 (PV) 面板的生产和使用寿命相关的所有环境影响。
内容
什么是生命周期评估 (LCA)？
生命周期评估 (LCA) 评估产品或过程从生产到处置的环境影响。[2] LCA 调查生产和使用产品所需的材料和能源投入、与其使用相关的排放以及处置或回收对环境的影响。 LCA 还可能调查产品生产或使用所必需的外部成本，例如环境缓解成本。[3]
硅光伏板生命周期评估
以下部分包含硅光伏电池板的简要生命周期分析。讨论的生命周期因素包括：生产所需的能源、生命周期二氧化碳排放量以及光伏板整个使用寿命期间产生的所有污染排放量：运输、安装、运行和处置。
生产能源需求
制造光伏发电绝对是安装的光伏组件中能源最密集的步骤。如图 2 所示，需要使用大量能源将硅砂转化为光伏晶圆所需的高纯度硅。光伏组件的组装是另一个资源密集型步骤，此外还添加了高能含量铝框架和玻璃屋顶。
图 2：光伏电池板制造过程中各生产阶段的能源需求占总能源需求 (GER) 1494 MJ/电池板（约 0.65 平方米表面）的百分比。[4]硅光伏组件对环境的影响涉及三个主要组件的生产：框架、组件以及系统平衡组件（例如机架和逆变器）。[3]温室气体主要由组件生产造成（81%），其次是系统平衡（12%）和框架（7%）[3]）。图 3 总结了生产周期的资源需求。
图 3：硅模块的生产周期和所需资源。[4]生命周期二氧化碳排放量
生命周期二氧化碳排放是指光伏系统相关材料的生产、运输或安装过程中产生的排放。除了模块本身之外，典型的安装还包括电缆和金属架。地面安装光伏系统还包括混凝土基础。远程安装可能需要额外的基础设施来将电力传输到当地电网。除材料外，生命周期分析还应包括光伏组件在工厂、仓库和安装地点之间运输过程中车辆排放的二氧化碳。图 4 比较了这些因素对五种光伏组件生命周期二氧化碳影响的相对贡献。[5]
图 4：大型光伏装置的生命周期二氧化碳排放量（按组件分类）。该图比较了典型的单晶硅模块 (m-Si(a))、高效单晶硅 (m-Si(b))、镉碲 (CdTe) 和铜铟硒 (CIS) 模块。作者绘制的图表，基于。[5]交通排放
交通运输约占光伏发电生命周期排放量的 9%。[5]光伏模块、机架和系统平衡硬件（例如电缆、连接器和安装支架）经常在海外生产并通过船运到美国。[6]在美国，这些组件通过卡车运输到配送中心，并最终到达安装地点。
安装排放
与安装相关的排放包括与安装系统的当地施工活动相关的车辆排放、材料消耗和电力消耗。这些活动产生的排放量不到光伏系统生命周期总排放量的 1%。[6]
运营排放
光伏组件在使用过程中不会产生空气或水排放。在光伏组件的建造过程中，气域受到溶剂和酒精排放的影响，这些排放有助于光化学臭氧的形成。流域受到石英、碳化硅、玻璃和铝等自然资源开采模块建设的影响。总体而言，用中央光伏系统取代当前的全球电网将导致温室气体排放、标准污染物、重金属和放射性物质减少 89-98%。[7]
处置排放
硅光伏组件的处置并未造成重大影响，因为大规模安装从80年代中期才开始使用，且光伏组件的使用寿命至少为30年。[8]弗特纳基斯等人。 (2005) [2]特别指出缺乏有关光伏组件处置或回收的可用数据，因此该主题值得更彻底的调查。
光伏发电与其他能源相比的生命周期评价
与光伏能源生产相关的总生命周期排放量略高于核电（截至 2006 年，现已显着降低），但低于化石燃料能源生产。几种能源发电技术的生命周期温室气体排放如下：[3]
- 硅光伏：45克/千瓦时
- 煤：900克/千瓦时
- 天然气：400-439克/千瓦时
- 核能：20-40克/千瓦时
在 20-30 年的使用寿命中，太阳能组件产生的电力比其生产过程中消耗的电力还要多。能量回收时间量化了太阳能模块产生用于生产模块的能量所需的最短使用寿命。如表1所示，平均能源回收期为3-6年。
| 国家 | 镇 | 太阳辐射量 （千瓦时/平方米） | 纬度 | 海拔高度 （米） | 年产量 （kWh/kWp） | EPBT | ERF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 澳大利亚 | 悉尼 | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
| 奥地利 | 维也纳 | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| 比利时 | 布鲁塞尔 | 第946章 | 50.5 | 77 | 第788章 | 6.241 | 4.5 |
| 加拿大 | 渥太华 | 第1377章 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
| 捷克共和国 | 布拉格 | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
| 丹麦 | 哥本哈根 | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
| 芬兰 | 赫尔辛基 | 第956章 | 60.13 | 0 | 第825章 | 5.961 | 4.7 |
| 法国 | 巴黎 | 1057 | 48.52 | 32 | 第872章 | 5.64 | 5 |
| 法国 | 马赛 | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
| 德国 | 柏林 | 999 | 52.32 | 35 | 第839章 | 5.862 | 4.8 |
| 德国 | 慕尼黑 | 第1143章 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
| 希腊 | 雅典 | 第1563章 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| 匈牙利 | 布达佩斯 | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
| 爱尔兰 | 都柏林 | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| 意大利 | 罗马 | 第1552章 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
| 意大利 | 米兰 | 第1251章 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
| 日本 | 东京 | 1168 | 35.4 | 14 | 第955章 | 5.15 | 5.4 |
| 大韩民国 | 汉城 | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
| 卢森堡 | 卢森堡 | 1035 | 49.62 | 295 | 第862章 | 5.705 | 4.9 |
| 荷兰人 | 阿姆斯特丹 | 1045 | 52.21 | 1 | 第886章 | 5.551 | 5 |
| 纽西兰 | 惠灵顿 | 1412 | 41.17 | 21 | 第1175章 | 4.185 | 6.7 |
| 挪威 | 奥斯陆 | 967 | 59.56 | 13 | 第870章 | 5.653 | 5 |
| 葡萄牙 | 里斯本 | 第1682章 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
| 西班牙 | 马德里 | 1660 | 40.25 | 第589章 | 第1394章 | 3.528 | 7.9 |
| 西班牙 | 塞维利亚 | 第1754章 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
| 瑞典 | 斯德哥尔摩 | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
| 瑞士 | 伯尔尼 | 1117 | 46.57 | 第524章 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| 火鸡 | 安卡拉 | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
| 英国 | 伦敦 | 第955章 | 51.3 | 20 | 第788章 | 6.241 | 4.5 |
| 英国 | 爱丁堡 | 890 | 55.57 | 32 | 第754章 | 6.522 | 4.3 |
| 美国 | 华盛顿 | 第1487章 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
例子
参考
- ^ J. Pearce 和 A. Lau，“硅基太阳能电池可持续能源生产的净能源分析”，美国机械工程师学会太阳能 2002 年会议记录：可靠能源经济的日出，编辑 R. Cambell-Howe，2002 年。pdf
- ↑跳转至：2.0 2.1 Fthenakis、VM、EA Alsema 和 MJ de Wild-Scholten (2005)，光伏生命周期评估：看法、需求和挑战，IEEE 光伏专家会议，佛罗里达州奥兰多。
- ↑跳转至：3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V. 和 E. Alsema (2006)，光伏能源投资回收期、温室气体排放和外部成本：2004-2005 年初状况，光伏进展，14, 275-280。
- ↑跳转至：4.0 4.1 4.2 光伏发电的生命周期评估，A. Stoppato，能源，第 33 卷，第 2 期，2008 年 2 月，第 224-232 页
- ↑跳转至：5.0 5.1 5.2 Ito, M.、K. Kato、K. Komoto、T. Kichimi 和 K. Kurokawa (2007)，100 MW 超大型光伏发电 (VLS-PV) 成本和生命周期分析的比较研究) 沙漠中使用 m-Si、a-Si、CdTe 和 CIS 模块的系统，光伏进展，16, 17-30
- ↑跳转至：6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, 和 K. Kurokawa (2007)，100 MW 超大型光伏 (VLS-PV) 成本和生命周期分析的比较研究使用 m-Si、a-Si、CdTe 和 CIS 模块的沙漠系统，光伏进展，16、17-30
- ^ Fthenakis, V.、Kim, H. 和 E. Alsema (2008)，光伏生命周期的排放。环境科学技术，42，2168-2174。
- ^ Luque, A. 和 S. Hegedus (2003)，《光伏科学与工程手册》，Wiley，霍博肯，新泽西州。