单晶硅电池组件-光伏发电全生命周期碳排放

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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 . [ 2 ] 李淼 . 太阳能光伏发电系统在轨道交通中的应用研究 [ J ] . 智能城市， 2020 ，6 （ 11 ） 142 - 143 . [ 3 ] 张继凯 . 大型并网光伏发电系统方案设计探究 [ J ] . 新型工业化， 2020 ， 10 （ 2 ） 27 - 30 . [ 4 ] 刘培 . 对基于案例的光伏电站总图设计探讨 [ J ] . 通讯世界， 2019 ， 26 （ 7 ） 237 - 239 . [ 5 ] 徐晨璐，熊泽豪，周游 . 大型分布式光伏并网发电系统的设计 [ J ] . 产业与科技论坛， 2019 ，18 （ 10 ） 76 - 77 . [ 6 ] 张少强，赵莹莹，张洁，等 . 基于光伏发电的共享单车照明及监测显示系统 [ J ] . 居舍， 2018 （ 32 ） 195 . [ 7 ] 岳峰 . 大型光伏并网发电系统方案设计 [ J ] . 无线互联科技， 2018 ， 15 （ 2 ） 29 - 30 . [ 8 ] 李单，王彦斌，袁爱庆 . 铁路客站光伏并网发电项目太阳能电池选型比对 [ J ] . 山西建筑， 2014 ， 40 （ 2 ） 203 - 204 . 作者简介蒋宽宽，工程师，研究方向为能源工程。