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(chǎn)業(yè)概況

近10 年來我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但我國不僅要成為光伏大國，更要成為光伏強(qiáng)國。我國太陽電池的產(chǎn)量迅速增加，并從2007年起連續(xù)9年保持全球第一；2016年，我國以當(dāng)年新增裝機(jī)34.24 GW位居世界第一，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)77.42 GW；我國光伏產(chǎn)品價(jià)格在近10年間下降為原來的1/10，促成全球28個(gè)國家已實(shí)現(xiàn)光伏可與常規(guī)能源競爭的“平價(jià)上網(wǎng)”。圖1為2011～2016年我國光伏新增裝機(jī)情況。

圖1 2011～2016年我國光伏新增裝機(jī)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(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其制造流程如圖2所示。

2 光伏組件生產(chǎn)過程污染物及處理處置

2.1 晶體硅光伏組件生產(chǎn)過程中的污染物

生產(chǎn)制造過程會(huì)產(chǎn)生一定的廢氣、廢水或固體廢物，統(tǒng)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(chǎn)生的“三廢”的種類、主要產(chǎn)生環(huán)節(jié)及處理措施。光伏制造過程中產(chǎn)生的絕大部分污染物經(jīng)簡單處理后即可達(dá)到國家安全排放標(biāo)準(zhǔn)，處理過程簡單且工藝成熟，對(duì)環(huán)境影響較?。坏珜?duì)于個(gè)別光伏生產(chǎn)行業(yè)特有的污染物，如四氯化硅、廢砂漿及氟化物，下文將詳細(xì)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(qiáng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成很大影響的物質(zhì)。在多晶硅暴利時(shí)代，隨意排放四氯化硅對(duì)環(huán)境造成了很大影響，引發(fā)了民眾恐慌，我國光伏產(chǎn)業(yè)也因此被扣上“高污染”的帽子。

近年來，隨著行業(yè)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、技術(shù)研發(fā)力度的加大和行業(yè)劣質(zhì)產(chǎn)能的淘汰，高純多晶硅生產(chǎn)過程產(chǎn)生的四氯化硅經(jīng)過收集和提純，通過氫化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，并返回到生產(chǎn)工序中熱解生成高純多晶硅，實(shí)現(xiàn)了四氯化硅閉環(huán)回用零排放。

四氯化硅的閉環(huán)回收再利用不僅減少了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，更帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，四氯化硅中硅元素的回收再利用實(shí)現(xiàn)了有害物質(zhì)到有經(jīng)濟(jì)價(jià)值物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。在當(dāng)前成本壓力下，企業(yè)都積極進(jìn)行四氯化硅回收再利用以達(dá)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(chǎn)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(chǎn)生于硅片切割工序。廢砂漿中含有切割過程中產(chǎn)生的廢聚乙二醇、廢硅粉和廢碳化硅，大量排放有機(jī)物聚乙二醇會(huì)造成水體富營養(yǎng)化，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。為降低廢砂漿對(duì)環(huán)境的影響，減少生產(chǎn)成本和資源消耗量，光伏行業(yè)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)廢砂漿的回收再利用。切割過程產(chǎn)生的廢砂漿直接進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(duì)生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害的物質(zhì)。氟化物主要產(chǎn)生于硅料和硅片的清洗環(huán)節(jié)，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(jīng)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(shí)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(jīng)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(jìn)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(fā)電的應(yīng)用

3.1 太陽能資源取之不盡、用之不竭、可再生并潔凈環(huán)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(jù)粗略估計(jì)，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(dāng)于燃燒4億t煙煤所產(chǎn)生的能量。地球在一年中從太陽獲得的能量，相當(dāng)于人類現(xiàn)有各種能源在同期內(nèi)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(fā)展光伏發(fā)電資源優(yōu)勢明顯

我國太陽能資源豐富，且總體表現(xiàn)出“高原大于平原、西部干燥區(qū)大于東部濕潤區(qū)”的資源分布特點(diǎn)。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(qū)甚至超過 2000 kWh/m2。

根據(jù)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(gè)等級(jí)。青藏高原及內(nèi)蒙古西部是我國太陽總輻射資源“最豐富區(qū)”(＞1750 kWh/m2)，占全國陸地面積的19.7%；以內(nèi)蒙古高原至川西南一線為界，其以西、以北的廣大地區(qū)是資源“很豐富區(qū)”，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(qū)資源量一般為1050～1400 kWh/m2，屬于資源“豐富區(qū)”，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(qū)”，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(qū)。

圖7 我國太陽能年總輻射量等級(jí)分區(qū)

3.3 光伏發(fā)電原理先進(jìn)，發(fā)電形式極為簡潔

光伏發(fā)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(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。太陽電池的基本原理為半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，即在太陽光照射下產(chǎn)生光電壓現(xiàn)象。圖8為光伏發(fā)電原理圖。 光伏發(fā)電利用太陽電池這種半導(dǎo)體電子器件有效吸收太陽光輻射能，實(shí)現(xiàn)直接從光子到電子的轉(zhuǎn)換，無中間過程(如熱能-機(jī)械能、機(jī)械能-電磁能轉(zhuǎn)換等)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

圖8 光伏發(fā)電原理圖

實(shí)驗(yàn)室研究的單個(gè)p-n 結(jié)單晶硅電池效率最高已接近25%；而多個(gè)p-n 結(jié)的化合物半導(dǎo)體電池效率已超過40%。

3.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)電無需燃料和水源

有光照的地方就可使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其不受海拔、地域等因素制約，應(yīng)用范圍廣泛。

3.5 光伏發(fā)電系統(tǒng)建造、運(yùn)維操作簡便

光伏組件結(jié)構(gòu)簡單，體積小且重量輕，便于運(yùn)輸；易于建造安裝、拆卸遷移；可根據(jù)不同系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)模塊化安裝，而且易于隨時(shí)擴(kuò)大發(fā)電容量，大幅縮短了建設(shè)周期。

光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生噪聲，且操作維護(hù)簡單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性提高。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)成本大幅降低。 (待續(xù))