单晶硅电池组件-光伏发电全生命周期碳排放_蒋宽宽.pdf

智能环保 NO.102021 117 智能城市 INTELLIGENT CITY 单晶硅电池组件 - 光伏发电全生命周期碳排放 蒋宽宽 （ 东方日升 （ 宁波 ） 电力开发有限公司 ，浙江 宁波 315600 ） 摘 要 在 经 济 快 速 发 展 的 过 程 中 ， 能 源 越 来 越 紧 缺 ， 为 了 解 决 能 源 紧 缺 产 生 的 能 源 危 机 问 题 ， 各 国 均 大 规 模 应 用 可 再 生 能 源 ， 将 可 再 生 能 源 作 为 常 规 能 源 补 充 应 用 ， 具 有 较 强 的 生 态 价 值 和 经 济 价 值 。 应 用 光 伏 组 件 时 ， 其 材 料 生 产 、 运 输 、 电 站 建 设 等 阶 段 存 在 污 染 与 碳 排 放 ， 对 单 晶 硅 电 池 光 伏 组 件 全 生 命 周 期 碳 排 放 情 况 进 行 分 析 ， 有 利 于 掌 握 光伏发电对环境的污染情况 ，可促进光伏系统的改进与发展 。 关键词 单晶硅 ； 光伏组件 ； 光伏发电 ； 全生命周期 ； 碳排放 需 要 明 确 在 光 伏 行 业 发 展 中 的 具 体 碳 排 放 情 况 ， 并 对 碳 排 放 进 行 合 理 控 制 ， 以 提 高 光 伏 行 业 的 生 态 效 益 与 经 济 效 益 。 对 光 伏 组 件 碳 排 放 进 行 核 算 研 究 时 ， 应 以 全 生 命 周 期 的 相 关 理 论 为 基 础 ， 对 光 伏 组 件 的 生 产 、 安 装 与 运 行 等 各 阶 段 的 碳 排 放 清 单 进 行 全 面 掌 握 。 工 作 人 员 明 确 光 伏 组 件 全 生 命 周 期 碳 排 放 核 算 内 容 ， 可 提 高 核 算 结 果 的 可 靠 性 ， 为 制 定 控 制 碳 排 放 策 略 提 供 参 考 依 据 。 单 晶 硅 电 池 组 件 为 目 前 光 伏 行 业主流组件 ， 本文将以此展开分析 。 1 碳排放概述 部 分 专 家 学 者 将 碳 足 迹 分 为 第 一 碳 足 迹 与 第 二 碳 足 迹 。 第 一 碳 足 迹 指 化 石 燃 料 燃 烧 释 放 的 二 氧 化 碳 等 温 室 气 体 的 排 放 量 ； 第 二 碳 足 迹 与 直 接 排 放 存 在 差 异 性 ， 隐 藏 在 人 们 对 各 种 生 产 与 消 费 过 程 中 ， 是 间 接 产 生 的 二 氧 化 碳 等 温 室 气 体 的 排 放 量 。 部 分 专 家 学 者 认 为 碳 足 迹 是 在 活 动 发 生 的 全 过 程 直 接 、 间 接 产 生 的 二 氧 化 碳 排 放 总 量 ， 也 可 能 是 某 个 产 品 全 生 命周期不同阶段累积的全部二氧化碳排放量 。 可 利 用 重 量 单 位 对 碳 排 放 量 进 行 计 量 ， 欧 盟 在 对 各 种 研 究 观 念 进 行 整 合 的 基 础 上 ， 对 碳 足 迹 进 行 定 义 ， 产 品 或 服 务 在 生 命 周 期 的 所 有 阶 段 累 积 排 放 的 二 氧 化 碳 、 其 他 温 室 气 体 的 总 重 量 ， 是 当 前 碳 排 放 研 究 过 程 中 主 要 参 考 的 碳 排 放 量 计 算 方 式 。 综 合 分 析 碳 足 迹 的 定 义 及 其 分 类 ， 目 前 部 分 组 织 及 机 构 对 碳 足 迹 的 定 义 虽 存 在 差 异 性 ， 但 大 部 分 学 者 均 认 同 、 采 纳 利 用 生 命 周 期 评 价 理 论 对 碳 排 放 的 相 关 概 念 进 行 定 义 。 根 据 生 命 周 期 评 价 理 论 对 碳 排 放 进 行 研 究 时 ， 需 要 从 某 一 商 品 或 服 务 活 动 的 原 材 料 应 用 、 工 厂 运 输 、 生 产 、 销 售 、 消 费 者 使 用 、 回 收 处 理 等 不 同 阶 段 出 发 ， 对 该 商 品 或 服 务 全 生 命 周期的所有过程排放的温室气体总量进行研究 。 2 光伏组件全生命周期碳排放清单 2. 1 工业硅生产 在 工 业 硅 生 产 过 程 中 ， 碳 热 还 原 法 是 其 独 特 的 生 产 方 法 。 碳 热 还 原 法 具 有 规 模 性 ， 发 展 时 间 相 对 较 短 ， 在 利 用 该 方 法 进 行 工 业 硅 生 产 时 ， 需 要 将 硅 石 、 木 炭 等 碳 质 还 原 剂 按 照 科 学 比 例 进 行 均 匀 混 合 ， 再 将 混 合 后 的 原 料 放 入 2 000 ℃ 高 温 的 反 应 电 炉 内 ， 在 炉 内 发 生 还 原 反 应 ， 获 取 工 业 硅 。 在 初步还原获取粗硅后 ，应对粗硅进行提纯 。 在 对 工 业 硅 进 行 生 产 时 ， 物 质 消 耗 主 要 为 原 材 料 的 硅 石 、 不 同 碳 质 的 还 原 剂 ， 消 耗 的 能 源 以 电 力 为 主 。 在 生 产 中 会 产 生 气 体 、 固 体 等 状 态 不 同 的 废 弃 物 ， 主 要 产 生 的 碳 排 放 为 大 量 的 二 氧 化 硅 、 粉 尘 、 一 氧 化 碳 。 一 氧 化 碳 具 有 较 高 的 全 球 变 暖 潜 能 值 ， 部 分 生 产 厂 商 在 对 工 业 硅 进 行 生 产 时 ， 会 将 一 氧 化 碳 引 入 燃 烧 室 进 行 充 分 燃 烧 ， 使 其 转 变 为 二 氧 化 碳 后 排 放 。 对 二 氧 化 硅 进 行 处 理 时 ， 主 要 利 用 布 袋 除 尘 法 完 成 回收再利用过程 。 2. 2 单晶硅生产 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 在 生 产 过 程 中 ， 需 要 将 高 纯 度 的 单 晶 硅 棒 作 为 主 要 原 料 ， 是 目 前 开 发 及 创 新 速 度 比 较 快 的 太 阳 能 电 池 ， 其 构 造 、 生 产 工 艺 已 基 本 定 型 。 在 光 伏 发 电 系 统 建 设 过 程 中 ， 可 广 泛 应 用 单 晶 硅 ， 提 高 光 伏 系 统 的 光 电 转 换 率 。 单 晶 硅 是 当 前 使 用 比 较 普 遍 的 光 伏 发 电 材 料 ， 是 太 阳 能 电 池 发 展 和 应 用 过 程 中 较 成 熟 的 太 阳 能 电 池 生 产 技 术 。 与 多 晶 硅 、 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 相 比 ， 其 具 有 较 高 的 光 电 转 换 效 率 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 在 生 产 过 程 中 ， 需 要 利 用 纯 度 较 高 的 单 晶 硅 棒 作 为 原 料 ， 会 增 加 生 产 成 本 ， 限 制 了 其 在 光 伏 发 电 系 统 中 的 大 规 模 应 用 。 为 了 推 动 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 发 展 ， 降 低 其 生 产 成 本 ， 在 单 晶 硅 产 能 电 池 生 产 中 ， 会 降 低 对 材 料 要 求 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 会 采 用 半 导 体 器 件 ， 完 成 头 尾 料 加 工 或 利 用 废 弃 单 晶 硅 材 料 进 行 加 工 ， 在 这 一 过 程 中 会 产 生 碳 排 放 和 污染 。 在 单 晶 硅 生 产 过 程 中 ， 需 要 将 单 晶 硅 棒 切 成 片 ， 单 晶 硅 棒 片 的 厚 度 为 0 . 3 mm ， 对 硅 片 进 行 抛 磨 、 清 洗 加 工 使 其 成 为 原 料 硅 片 。 应 在 硅 片 上 进 行 掺 杂 、 扩 散 ， 掺 杂 物 为 微 量 硼 、 磷 、 锑 等 ， 主 要 在 石 英 管 高 温 扩 散 炉 中 完 成 。 利 用 丝 网 印 刷 方 法 ， 在 硅 片 上 使 用 银 浆 印 制 栅 线 ， 应 用 烧 结 制 成 背 电 极 ， 并 在 栅 线 面 涂 覆 减 反 射 源 ， 防 止 大 量 光 子 被 光 滑 的 硅 片 表 面 反 射 。 在 硅 片 切 割 过 程 中 ， 产 生 的 废 水 主 要 以 生 产 废 水 和 生 活 污 水 为 主 。 处 理 生 产 废 水 时 ， 可 将 絮 凝 沉 淀 法 与 酸 性 水解法相结合 ，提高废水处理效率 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 发 电 效 益 较 高 ， 其 以 多 晶 硅 生 产 为 基 础 ， 产 生 的 碳 排 放 更 多 、 能 耗 更 大 。 在 单 晶 硅 生 产 过 程 中 ， 硅 片 主 要 以 提 拉 、 浇 注 等 方 式 锯 割 制 成 ， 对 硅 材 料 的 消 耗 较 大 ， 会 导 致 单 晶 硅 的 能 耗 增 加 。 为 了 降 低 生 产 能 耗 ， 需 要 利 用 化 学 气 象 沉 积 法 完 成 多 晶 硅 薄 膜 电 池 制 备 工 作 ， 再 将 多 晶 硅 作 为 制 作 单 晶 硅 的 材 料 。 在 单 晶 硅 生 产 过 程 中 ， 多 晶 硅 产 生 的 能 耗 与 碳 排 放 情 况 ， 应 计 算 在 单 晶 硅 电 池 生 产 制 造 DOI10.19301/j.cnki.zncs.2021.10.059智能环保 NO.102021 118 智能城市 INTELLIGENT CITY 过程中 。 在 单 晶 硅 制 作 过 程 中 ， 扩 散 制 结 环 节 较 为 重 要 。 磷 酸 三 氯 化 钾 化 磷 源 与 磷 酰 氯 会 在 高 温 环 境 下 连 接 扩 散 ， 并 分 解 五 氧 化 二 磷 。 单 晶 硅 太 阳 电 池 分 解 的 产 物 在 反 应 过 程 中 ， 会 继 续 产 生 二 氧 化 硅 和 磷 元 素 ， 若 外 部 环 境 中 存 在 氧 气 ， 产 生 的 二 氧 化 硅 和 磷 元 素 会 与 扩 散 源 进 行 反 应 生 成 五 氧 化 二 磷 等 物 质 。 在 分 解 三 氯 氧 化 磷 时 ， 单 晶 硅 可 继 续 积 累 五 氧 化 二 磷 ， 并与硅晶片进行反应生成磷硅玻璃 。 在 单 晶 硅 的 实 际 生 产 过 程 中 ， 酸 洗 、 水 洗 、 扩 散 等 环 节 均 会 产 生 废 气 废 水 ， 须 对 废 弃 废 水 进 行 有 效 处 理 ， 以 降 低 单 晶 硅 生 产 对 生 态 环 境 产 生 的 污 染 ， 同 时 可 对 碳 排 放 情 况 进 行 合 理 控 制 。 在 太 阳 能 电 池 长 期 发 展 过 程 中 ， 对 生 产 过 程 的 污 染 状 况 研 究 相 对 较 少 ， 未 明 确 排 污 数 据 、 碳 排 放 相 关 数 据 ， 且 缺 乏 对 生 产 过 程 中 清 洁 生 产 处 理 、 资 源 化 的 研 究 工 作 。 在 单 晶 硅 生 产 过 程 中 ， 产 生 的 具 体 碳 排 放 情 况 需 要 进 行 进 一 步 研 究 。 在 当 前 研 究 过 程 中 ， 应 充 分 重 视 生 产 过 程 中 的 废 水 、 废 气 处 理 。 在 污 水 处 理 过 程 中 ， 产 生 的 氟 化 钙 污 泥 会 产 生 二 次 污 染 ， 应 充 分 利 用 企 业 生 产 、 废 水 及 污 水 处 理 厂 的 处 理 方 法和技术 ， 保证氟化钙污泥处理效果达标后进行排放 。 2. 3 生产光伏电池片的碳排放 在 光 伏 电 池 片 生 产 中 ， 其 主 要 流 程 为 制 绒 → 扩 散 前 的 清 洗 作 业 → 磷 扩 散 → 去 PSG → 完 成 边 缘 刻 蚀 → 镀 膜 → 丝 网 印 刷→ 燃结→ 测试、分档等 。 在 电 池 片 生 产 中 ， 会 产 生 有 组 织 、 无 组 织 的 废 气 ， 有 组 织 废 气 主 要 以 酸 性 、 碱 性 以 及 有 机 废 气 为 主 。 在 光 伏 电 池 片 生 产 制 造 中 ， 部 分 环 节 均 会 产 生 酸 性 气 体 ， 可 与 碱 液 反 应 进 行处理 ，直接排放空气中 。 碱 性 废 气 主 要 是 硅 烷 ， 碱 性 废 气 在 第 一 次 充 分 燃 烧 时 会 产 生 氮 气 等 ， 若 未 进 行 充 分 燃 烧 ， 在 酸 液 喷 洒 后 需 要 保 证 其 符合环保要求后再排出 。 有 机 废 气 在 丝 网 印 刷 工 序 中 产 生 ， 主 要 由 银 浆 、 醇 类 、 醚 类 物 质 挥 发 形 成 ， 可 利 用 活 性 炭 进 行 净 化 处 理 后 再 排 放 。 无 组 织 废 气 的 产 生 量 相 对 较 少 ， 在 生 产 时 需 要 对 酸 碱 的 挥 发 情 况 进 行 严 格 控 制 ， 确 保 在 生 产 过 程 中 可 密 封 保 存 和 运 输 ， 并设置排放管道 。 在 光 伏 电 池 片 生 产 过 程 中 产 生 的 废 水 ， 主 要 以 生 产 废 水 、 洗 涤 废 水 、 生 活 污 水 等 为 主 ， 清 下 水 可 直 接 排 入 下 水 道 ， 其 他 废 水 需 要 进 行 氟 离 子 处 理 ， 将 其 送 到 污 水 处 理 厂 进 行 加 工 回 收 。 固 体 废 弃 物 包 括 危 险 固 体 废 弃 物 、 一 般 固 体 废 弃 物 两 种 ， 对 固 体 废 弃 包 装 物 等 可 进 行 回 收 再 处 理 ， 在 处 理 危险固体废弃物时 ，必须由专业单位处理 。 2. 4 光伏组件生产过程中的碳排放 光 伏 组 件 生 产 过 程 中 的 工 艺 流 程 相 对 简 单 ， 会 产 生 少 量 废 气 、 固 体 废 弃 物 。 废 气 由 层 压 阶 段 产 生 ， 经 过 处 理 后 可 直 接 排 入 空 气 中 。 固 体 废 弃 物 包 括 焊 接 废 弃 物 、 一 般 废 弃 物 ， 应对产生的废弃物进行统一回收后再处理 。 2. 5 光伏组件运行 光 伏 组 件 运 行 过 程 中 ， 应 充 分 分 析 光 伏 系 统 使 用 寿 命 。 光 伏 系 统 使 用 寿 命 为 25 年 ， 组 件 出 现 故 障 的 发 生 率 在 0 . 02 以 下 ， 在 使 用 过 程 中 不 会 产 生 污 染 物 排 放 。 在 日 常 运 营 和 维 护 过 程 中 ， 清 理 组 件 的 表 面 灰 尘 、 遮 挡 物 ， 同 时 应 根 据 具 体 的 运 行 情 况 进 行 清 洗 、 检 查 、 维 护 等 。 需 要 对 电 气 设 备 的 工 作 状 态 进 行 监 测 ， 维 护 人 员 的 数 量 相 对 较 少 ， 更 换 的 零 部 件 相 对 较 少 。 在 光 伏 组 件 运 行 过 程 中 ， 其 输 入 量 、 输 出 量 均 在 1 以 下 ， 对 光 伏 系 统 全 生 命 周 期 的 碳 排 放 清 单 进 行 分 析 时 ， 无须将光伏组件的运行和维护阶段纳入碳排放的总核算中 。 3 结语 综 上 所 述 ， 对 单 晶 硅 光 伏 组 件 全 生 命 周 期 碳 排 放 进 行 研 究 ， 可 发 现 光 伏 发 电 系 统 存 在 的 问 题 ， 光 伏 发 电 系 统 应 用 过 程 中 的 全 生 命 周 期 中 会 发 生 碳 排 放 。 光 伏 发 电 的 碳 排 放 回 收 期 比 光 伏 发 电 系 统 的 使 用 年 限 更 短 ， 且 具 有 较 强 的 节 能 减 排 效 果 。 相 关 部 门 须 根 据 光 伏 产 业 的 具 体 特 点 ， 制 定 科 学 完 善 的 长 期 发 展 政 策 ， 对 光 伏 产 业 进 行 统 一 规 划 ， 不 断 引 进 光 伏 技 术 ， 促 进 光 伏 市 场 、 产 业 的 协 调 发 展 ， 推 动 集 中 式 光 伏 电 站和分布式光伏电站的建设 。 参考文献 [ 1 ] 翁 琳 ， 陈 剑 波 . 光 伏 系 统 基 于 全 生 命 周 期 碳 排 放 量 计 算 的 环 境 与 经 济效益分析 [ J ] . 上海理工大学学报 ，2017 ， 39 （ 3 ） 282 - 288 . 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