光伏系統(tǒng)能量償還時間的分析

上海電力學(xué)院太陽能研究所 楊金煥

1.概述

光伏發(fā)電是無污染的清潔能源，不過在制造光伏系統(tǒng)過程中，也需要消耗一定能量。有不少人對于光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量是否能夠補(bǔ)償制造過程中所消耗的能量表示懷疑，甚至有人認(rèn)為光伏發(fā)電是得不償失。

衡量一種發(fā)電系統(tǒng)是否有效的指標(biāo)之一是：能量償還時間（EPBT），其定義是：在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)輸入的總能量與系統(tǒng)運(yùn)行時每年產(chǎn)生的能量之比率，兩者使用同樣單位，都用一次能源或者用電能來表達(dá)。

式中，

Ein是光伏系統(tǒng)壽命周期內(nèi)輸入的總能量，包括制造、安裝、運(yùn)行以及最后壽命周期結(jié)束，拆除系統(tǒng)和處理廢物所需要的外部輸入的全部能量；

Eg是光伏系統(tǒng)運(yùn)行時每年輸出的能量。EPBT的單位是年，顯然能量償還時間越小越好。

光伏系統(tǒng)能量返還時間取決于一系列復(fù)雜的條件，輸入的能量與很多因素有關(guān)，如太陽電池的類型（如單晶硅、多晶硅、非晶硅還是其他薄膜電池）、工藝過程、封裝材料和方式等；方陣的框架及支撐結(jié)構(gòu)；配套部件（BOS）的材料（包括箱體、元件等）和工藝；有時還有蓄電池。此外還要加上在安裝、運(yùn)行以及最后壽命周期結(jié)束，拆除系統(tǒng)和處理廢物時所需要的能量，特別是還要考慮人員的勞動所付出的能量。

光伏系統(tǒng)輸出的能量也與很多因素有關(guān)，如太陽電池和配套部件的使用壽命及其性能和效率、光伏系統(tǒng)的類型（如離網(wǎng)系統(tǒng)還是并網(wǎng)系統(tǒng)）、當(dāng)?shù)氐牡乩砑皻庀髼l件，系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，方陣傾角是否恰當(dāng)，安裝過程有無不當(dāng)，維護(hù)管理的情況等。除此以外，還有一些并不與發(fā)電系統(tǒng)本身直接有關(guān)的間接因素。

在20世紀(jì)90年代初，國外開始大量進(jìn)行光伏系統(tǒng)能量償還時間的分析研究，其中最有影響的是荷蘭烏德勒支大學(xué)Alsema E.A.，他建立了多晶硅、單晶硅、薄膜電池組件和配套部件所需要能量的“最佳估計”方法，發(fā)表了多篇有關(guān)論文。他在1998年7月發(fā)表的的論文中，分析比較了各國發(fā)表的十多篇公認(rèn)為合理的參考文獻(xiàn)，通過分析和計算，最后得出的結(jié)論是對于多晶硅組件系統(tǒng)的能量償還時間有很大的不同，從高估計的8年到低估計的3～4年。未來屋頂安裝的光伏系統(tǒng)可以期望多晶硅組件和非晶硅組件的能量償還時間分別降低到1.7年和1.2年。

Knapp K.E.和Theresa L.Jester于2000年6月發(fā)表論文，提出兩個因素決定了光伏組件的能量償還時間，即生產(chǎn)過程和系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中分別消耗和產(chǎn)生多少能量。在生產(chǎn)過程中消耗的能量包括直接消耗的能量和使用的原材料所消耗的能量。他們根據(jù)西門子太陽能公司的實(shí)際產(chǎn)量和消耗的能源，計算出單晶硅電池的能量償還時間為3.3年。

2004年5月美國俄亥俄州奧柏林學(xué)院的Murray M.E.發(fā)表了論文，對于安裝在該校屋頂?shù)?8.65 kW單晶硅組件并網(wǎng)光伏系統(tǒng)進(jìn)行了具體的分析和計算，考慮了光伏組件和配套部件等全部能量消耗后，得出能量償還時間為7.3年。

美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室在2004年1月發(fā)表了研究報告“PV FAQs”（ DOE/GO-102004-2040），指出：目前的技術(shù)對于多晶硅組件能量償還時間為4年，預(yù)期將來為2年。薄膜電池組件用目前的技術(shù)為3年，預(yù)期將來為1年。兩種光伏系統(tǒng)的能量償還時間見圖1。

國際能源署（IEA-PVPS），歐洲光伏技術(shù)講壇（EPTP）和歐洲光伏工業(yè)協(xié)會（EPIA）在2006年5月聯(lián)合發(fā)表報告“Compared assessment of selected environmentalindicators ofphotovoltaic electricity in OECD cities”，在世界范圍內(nèi)調(diào)查現(xiàn)有關(guān)于光伏系統(tǒng)能量輸入的研究，報告提供了清晰而詳細(xì)的輪廓，全部光伏系統(tǒng)（不單有組件，還包括配套部件，連接電纜和電子器件等）的能量償還時間取決于當(dāng)?shù)氐奶栞椪涨闆r，對于26個經(jīng)合組織（OECD）國家41個主要城市進(jìn)行了分析計算，詳細(xì)列舉了這些城市的光伏單位功率年發(fā)電量、能量返還因子和光伏單位功率每年相當(dāng)于減少CO2排放量。結(jié)論是：對于屋頂安裝并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的能量償還時間為1.6～3.3年，如朝向赤道垂直安裝則為2.7～4.7年。最好的是澳大利亞珀斯，最差的是英國的愛丁堡。

Gaiddon B.等人隨后發(fā)表了：“Environmental Benefits of PV Systems in OECD Cities”的文章，對分析的依據(jù)和方法進(jìn)行了闡述，指出上述結(jié)論主要是針對城市中采用標(biāo)準(zhǔn)多晶硅組件的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的情況。

由于光伏方陣的朝向及傾角對于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量有著重大的影響，考慮到城市中在光伏與建筑一體化應(yīng)用的具體情況，現(xiàn)討論以下兩種常見情況：

＊朝向赤道，方陣安裝傾角為30°的屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；

＊光伏方陣朝向赤道垂直安裝，即傾角為90°，如作幕墻使用。

再根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椪召Y料，計算單位功率（1kW）多晶硅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)每年的發(fā)電量。

根據(jù)歐、美9個現(xiàn)代光伏制造廠統(tǒng)計，對于并網(wǎng)多晶硅光伏系統(tǒng)所消耗的電能見表1。

表1 每千瓦并網(wǎng)多晶硅光伏系統(tǒng)所消耗的電能

最后分別算出41個城市的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)能量償還時間，得出OECD國家光伏系統(tǒng)能量償還時間范圍如表2所示。

表2 OECD國家光伏系統(tǒng)能量償還時間范圍

2008年9月綠色和平組織和歐洲光伏工業(yè)協(xié)會（EPIA）聯(lián)合發(fā)表的“Solar Generation V-2008”研究報告中援引了Alsema等人在21屆歐洲太陽能光伏會議上發(fā)表的論文，結(jié)論是對于不同種類的太陽電池組件（單、多晶，硅帶和薄膜）和地點(diǎn)（南、北歐）光伏系統(tǒng)的能量償還時間在1～3.6年之間（見圖2）。

2 相關(guān)參數(shù)的計算

2.1 光伏系統(tǒng)運(yùn)行時每年輸出的能量

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的有效發(fā)電量除了取決于光伏方陣容量、當(dāng)?shù)氐臍庀蠛偷乩項l件以及現(xiàn)場的安裝、運(yùn)行情況等因素以外，還要受到蓄電池容量及維持天數(shù)的限制，情況比較復(fù)雜。所以本文主要討論并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的情況。

單位功率并網(wǎng)光伏系統(tǒng)每年輸出的能量通常可以用以下公式計算：

式中，Eout為單位功率光伏系統(tǒng)每年輸出的能量，單位是kWh/（kW·年）；

Ht為傾斜方陣面上全年接收到的太陽總輻照量，單位是kWh/（m2·年）除以1kW/m2即每年的峰值日照時數(shù)；

P0為光伏系統(tǒng)額定功率1kW；

PR(Performance Ratio)為系統(tǒng)綜合效率。

由于光伏方陣的朝向及傾角對于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量有著重大的影響，考慮到城市中在光伏與建筑一體化應(yīng)用的具體情況，（IEA-PVPS）聯(lián)合報告中分析了方陣傾角是30°和垂直安裝即傾角為90°的兩種情況。然而，不同城市緯度相差很大，都用方陣傾角是30°來比較并不合理，因此稍作修正，討論以下兩種常見的情況：

○朝向赤道，按照方陣最佳傾角安裝的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，方陣最佳傾角是指方陣在該傾角時當(dāng)?shù)厝昴芙邮盏阶畲筇栞椪樟克鶎?yīng)的傾角。

○光伏方陣朝向赤道垂直安裝，即傾角為90°。

PR是除了組件以外的整個系統(tǒng)效率，包括直流輸入和交流輸出兩大部分損耗，根據(jù)統(tǒng)計和分析，參照前面國際能源署光伏系統(tǒng)項目研究報告中的數(shù)據(jù)，考慮平均用PR=75%來計算。

2.2 光伏系統(tǒng)在壽命期間輸入的總能量

在生產(chǎn)過程中，不同類型的太陽電池組件，單位功率所消耗的電能也不相同，而且不同的工藝、生產(chǎn)規(guī)模等也有影響。以目前常用的幾種電池比較，同樣功率的單晶硅電池消耗的能量最多，其次是多晶硅電池，非晶硅電池消耗的能量最少。以下都用多晶硅電池來進(jìn)行比較。

對于多晶硅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，平均單位功率所消耗的電能應(yīng)用表1的結(jié)果，即每kW多晶硅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)消耗的電能是2525kWh。

對于中國28個主要城市，按照上述的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行了分析計算。其中當(dāng)?shù)厮矫嫔系奶栞椪樟?，是根?jù)國家氣象中心發(fā)表的1981～2000年中國氣象輻射資料年冊的測量數(shù)據(jù)取平均值。并且依照Klein.S.A和Theilacker.J.C（1981年）所提出的計算方法，算出不同傾斜面上的月平均太陽輻照量并進(jìn)行比較，得到當(dāng)?shù)厝昴芙邮盏降淖畲筇栞椪樟縃t，其相應(yīng)的傾角作為并網(wǎng)光伏方陣最佳傾角，同樣確定朝向赤道垂直安裝時方陣面上全年接收到的太陽輻照量。其余參數(shù)的計算方法均按上述。計算得出中國部分城市并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的能量償還時間如表3所示。

3 結(jié)論

表3 中國部分城市并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的能量償還時間

在中國部分主要城市中，朝向赤道，按照方陣最佳傾角安裝和垂直安裝的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，能量償還時間最短的是拉薩，分別只有1.57年和2.50年；最長的是重慶，分別為3.76年和6.92年。在計算中沒有計入運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行以及最后壽命周期結(jié)束，拆除系統(tǒng)和處理廢物所需要外部輸入的能量，但是根據(jù)分析，這些分?jǐn)偟教栯姵氐膯挝还β剩╓）上所需能量不大，對于能量償還時間影響很小，為了謹(jǐn)慎起見，即使將以上數(shù)值除以0.8，對拉薩而言，也分別只有1.96年和3.13年；重慶則分別增加為4.70年和8.65年。當(dāng)然對于單晶硅電池，能量償還時間會稍有增加，而薄膜電池則有所減少。

總之，光伏系統(tǒng)在整個壽命周期（目前為30年，以后可望增加到35年）內(nèi)，所產(chǎn)生的能量，遠(yuǎn)大于其制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等全部輸入的能量，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏系統(tǒng)的制造、安裝過程中消耗的能量還將不斷下降，能量償還時間將進(jìn)一步縮短，光伏發(fā)電確實(shí)是值得大力推廣的清潔綠色能源。

[1]Alsema.E.A,Frankl.P,Kato.K.Energyback time of photovoltaic energy systems:present status and prospects [C].2nd World Conference on Photovoltaic Solar Conversion,Vienna,1998

[2]K.Knapp;T.L.Jester,An Empirical Perspectiveon the Energy Payback Time for PV modules[C].Solar 2000 Conference,Madison,WI,June 16-21,2000.

[3]Gaiddon B,Jedliczka M,Villeurbanne H.Compared Assessment ofSelectedEnvironmental IndicatorsofPhotovoltaic Electrisity in OECD Cities[R].IEA PVPS Task 10,Activity 4.4 Report IEA-PVPS T10-01:2006,May 2006

[4]Klien S.A,Theilacker J.C.An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces [J].JournalofSo lar Energy Engineering,1981,103:29～33.