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浅析“光伏发电 环境友好”的几点补充说明

文字:[大][中][小] 2016-10-12    浏览次数:522    
由于太阳能资源极大丰富、分布广泛、应用方便,太阳能光伏发电成为世界各国普遍关注和重点发展的技术。发展太阳能在内的可再生能源战略新兴产业,加快能源结构调整,也是我国应对化石能源短缺和大气污染防治的双重难题的根本出路,近年来太阳能光伏发电成为能源产业发展的焦点。

为了配合国家清洁能源转型,消除社会公众疑虑,树立公众对于光伏发电未来必将大范围应用的信心,针对社会对光伏发电行业存在的环境污染误解,中国可再生能源学会光伏专委会曾于2014年5月发行《光伏发电环境友好》科普读本近万册,受到社会欢迎。

近期某些公众媒体仍旧散布一些针对光伏发电对环境影响的不实舆论,中国光伏行业协会针对这些言论,已经严肃指出谬误之处并表明观点以正视听,论述详实,有理有据,相关内容不再累牍赘述。本文将根据最新若干研究和实证成果,从全生命周期环境影响的理念出发,基于光伏发电全产业链条中的生产制造、安装应用、回收与再利用三个生命环节,针对光伏的环境友好性进行补充说明和观点表明。

一 神奇问世,光伏制造。

晶体硅光伏组件制造流程,包括多晶硅提纯、硅片制造、电池制造、组件封装4个生产环节。工业生产制造过程中会产生一定的废气、废水或固体废物,统称为三废,光伏制造过程也不例外。光伏制造过程中产生的绝大部分污染物经简单处理后即可达到国家安全排放标准,处理过程简单且工艺成熟,对环境影响比较小,也有个别几种光伏行业特有的污染物,如:四氯化硅、废砂浆以及氟化物,也有明确清晰和环境友好的处理和回用,不会对环境造成危害。下文将介绍其处理过程。

1.四氯化硅的去向

四氯化硅具有强腐蚀性,遇空气后分解为硅酸和剧毒的氯化氢气体。四氯化硅产生于西门子法提纯多晶硅的环节,主要在两个化学反应过程中产生,一是金属硅(低纯度多晶硅)转化成三氯氢硅的过程;二是三氯氢硅高温热分解为高纯多晶硅的过程。产生的四氯化硅经过收集和提纯,通过冷氢化反应或热氢化反应转化为三氯氢硅,三氯氢硅接着热分解又形成高纯多晶硅。四氯化硅在硅提纯生产过程中目前可实现全闭环微排放,通过氢化处理有害的四氯化硅转换成为了具有很高经济价值的三氯氢硅。

在多晶硅提纯过程,会产生大量的四氯化硅,四氯化硅的回收再利用不仅仅对环境有益,更可带来经济价值。四氯化硅中硅元素的回收再利用实现了有害物质到有经济价值物质的转换。尤其目前的成本压力下,企业都积极进行四氯化硅回收再利用以达到利润最大化。
2.废砂浆的回用

废砂浆产生于硅片切割过程,废砂浆由聚乙二醇及切割过程中产生的废硅粉和废碳化硅构成的,如果大量排放的话,其中的有机物聚乙二醇会造成水体和土壤的富营养化,对生态造成一定的破坏。为降低废弃物对环境的影响,降低生产成本及资源消耗量,光伏行业现已经实现废砂浆的回收再利用。切割的废砂浆直接流到收集缸,取出后由处理工厂回收处理,回收出纯度合格的聚乙二醇、碳化硅、甚至硅粉。回收出来的聚乙二醇和碳化硅可以用来做新的砂浆切割液,实现废砂浆的回收再利用,回收再利用不仅降低了生产成本,而且降低了资源消耗量,同时降低了硅片切割过程的经济成本。

另外,近年来金刚石线切割技术应用越来越普及,已大量取代普通不锈钢线切割技术应用在单晶切割中。金刚石线切割不仅切割速率高而且不再需要使用砂浆,未来随着金刚线切割技术市场份额的不断扩大,砂浆将被越来越少使用。
 
3.氟化物的处理

氟化物是一种会对生态环境带来严重危害的物质,氟化物主要产生于硅料和硅片的清洗环节,其排放形式有两种,一种是废水,一种是废气。如下图所示,对于含氟废水,目前的工厂都设有专门的含氟废水处理池,通常情况下经过中和沉淀和絮凝沉淀等多道步骤后,氟化物被转化为沉淀物沉淀在处理池底部,混合其他物质成为污泥,一定时期后,污泥会被打捞成为制作空心砖的原料;含氟废气不直接排放,在排放前需经过水性溶液的淋洗。在淋洗过程中氟化物被收集在水溶液中形成含氟废水,被收集后进入含氟废水处理池进行处理。
2012-2014年中国可再生能源学会光伏专委会、浙江大学硅材料国家重点实验室与中国环科院合作完成环保部公益项目“新能源产业(太阳能电池板)环境影响与管理研究”,本研究实地调研多晶硅及硅片企业10多家,核算污染物产排污系数,提出晶体硅太阳能电池行业环境强度准入指标建议;同时建立晶体硅太阳能电池行业污染防治技术评估方法,形成晶体硅太阳能电池行业(晶体硅)污染防治最佳可行技术建议。

所有的工业生产过程中所有的过程都会带来环境影响,整体环境影响包括物料消耗,能源消耗,污染排放等过程,这些都可以通过LCA的方法量化整体分析。环保部环境公益项目“新能源产业(太阳能电池板)环境影响与管理研究”得出相关结论如下:从产业链过程看,高纯多晶硅生产、硅片生产、电池片生产和组件封装四个过程的环境影响分别占总环境影响的43.30%、17.82%、12.50%和26.39%。而四个生产过程排放的污染物产生的环境影响分别占各自环节整体环境影响的0.02%、0.69%、1.93%和0.00%,污染物排放总量产生环境影响仅占总环境影响的0.38%。总的说来,光伏生产阶段污染物排放带来的环境影响很小[1]。

2015-2016年中国可再生能源学会光伏专委会再度与中国环科院合作开展《多晶硅制造业污染防治技术政策》编制。调研和编制工作正在进行,为了推动行业绿色发展,欢迎业界关注、支持和参与。主要用于制定多晶硅制造业(包括硅片制造)的发展政策,引导产业结构调整升级;同时作为环境保护相关规划、污染物排放标准、环境影响评价、总量控制、排污许可等环境管理有关工作的制定依据;在企业层面主要用于指导企业污染防治技术路线选择,引领污染防治技术进步,推动行业实现绿色发展。

二 生机勃发,发电应用

1.太阳能资源取之不尽,用之不竭,可再生并洁净环保光伏

太阳辐射是地-气系统与大气热量的主要能源。太阳一刻也不停地向茫茫宇宙空间辐射这大量的电磁波。其中射向地球的那一部分,向地球输送了大量的光和热。地球在一年中从太阳获得的能量,相当于人类现有各种能源在同期内所提供的能量的上万倍[2]。地球上的一些天然能源(如煤、石油等)可能有枯竭的那一天,而太阳能却是取之不尽,用之不竭的。

2.光伏发电原理先进,建设和发电形式极为简洁

太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式,是采用太阳电池将光能转换为电能的发电方式。太阳电池的基本原理为半导体的光伏效应,即在太阳光照射下产生光电压现象。

太阳能光伏发电利用太阳电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,实现直接从光子到电子转换,没有中间过程(如热能-机械能、机械能-电磁能转换等)和机械运动。实验室研究的单个p-n结单晶硅电池效率最高已经接近25%;而多个p-n结的化合物半导体电池已经超过40%。

太阳电池组件结构简单,体积小且轻,便于运输,易于建造安装,拆卸迁移,可根据不同系统容量,实现模块化安装,而且易于随时扩大发电容量大大缩短建设周期。

光伏发电系统无机械转动部件,不会产生噪声,无需燃料和水源,不受海拔、地域等因素的制约,应用范围广泛。更为重要的是操作维护简单,系统运行稳定性可靠性提高。随着自动控制技术的发展,光伏发电系统可实现无人值守运行,大大降低运行维护成本。

3.光伏发电过程中不排放温室气体和其它废气、废水,光伏电力是真正的环境友好型绿色电力

美国可再生能源国家实验室NREL基于对13个不同类型的多晶硅光伏系统的全生命周期二氧化碳排放研究,在辐射量为每年每平方米1,700千瓦时(kWh),系统寿命为30年,组件效率为13.2%-14.0%,系统发电效率为75%-80%的条件下,得出了多晶硅光伏系统全生命周期内每发一度电产生的二氧化碳的平均值为45克,而以煤为原料的火力发电全生命周期内每发一度电产生的二氧化碳的平均值1000克[3]。

根据世界自然基金会(WWF)的统计,在我国平均日照条件下,安装1千瓦光伏发电系统,1年可发出1200度电,可减少煤炭(标准煤)使用量约400千克,减少二氧化碳排放约1吨,形象地说,安装1平米太阳能光伏组件约相当于造林100平米。

4.光伏发电系统性能稳定、可靠,使用寿命长

经过2015年中国可再生能源学会光伏专委会在西部大型光伏电站现场检测和调研基础上,得出目前国内光伏系统电站能效比PR值多分布在70-80%之间,通过PR测评找到问题所在,结合光伏电站全流程优化,光伏系统25年整体综合能效仍有大幅提高空间。

世界多家著名实验室和研究机构都已开展相关研究和论证,如美国NREL国家实验室、中山大学太阳能系统研究所,在长期户外曝晒实证试验后的认为晶体硅组件衰减较低,完全可实现25年以上的完美运行。这里所说的组件25年,是指25年保质期,即25年衰减率不超过标称功率20%,很多实证案例证明光伏组件完全可以在30年甚至更长时间内为人类持续提供清洁电力。

中国可再生能源学会光伏专委会在2015年开展公益科研活动“寻找中国最美光伏组件”项目历时一年,踏遍10个省市,逾3万公里,寻访并收集了云南、西藏、青海、新疆、海南、广东、内蒙古、北京等地实际发电运行10年以上、20年以上、30年以上的光伏老组件样品,研究了在不同资源和气候环境下光伏组件的电性能和材料性能的稳定性、长效性和耐候性,探索组件老化和效率的衰减与失效机理,在2015年10月13-15日在北京举办的“中国光伏大会暨国际展览会”上进行了首展,向业界和公众展示了运行仍在完美发电的老组件,提振行业信心。

公益科研项目“寻找中国最美老组件”的寻找和研究活动没有停止,还在持续,我们收集的珍贵老组件,一方面将用于在中科院电工研究所内建立中国的“老组件博物馆”,另一方面通过对不同地域老组件的性能分析探索失效机理,以及延伸的加速老化速度和可靠性测试方法。未来,中国可再生能源学会光伏专委会将基于此活动开展持续研究,如晶体硅光伏组件在特定气气候环境及安装方式下的衰减轨迹模型等。

5.光伏发电为局地微气候环境改善带来正能量

针对大型人造工程对局地环境的影响,近年来越来越得到国际环境管理和研究机构的关注,光伏电站也不例外。但目前国际上对于光伏电站的气候环境效应研究非常少,已有研究多集中在模拟计算大型光伏电站对局地大气温度的影响,仅有少数几个项目建立了相关监测平台,但迄今为止没有看到相关结论性意见。为了填补国际研究空白,并通过实证观测论证光伏电站的环境影响,“十二五”期间,在科技部863项目的支持下,国内首次开展了大型光伏电站对局地气候环境效应研究,该任务由中科院电工研究所,中科院寒区旱区环境与工程研究所、华北电力大学、北京计科电中心等单位共同承担。课题组在格尔木光伏电站建设了光伏电站气候环境监测平台,建立了光伏电站内外大气、土壤和电磁环境数据采集系统,实现了大气不同高度风速、风向、气温、气压、空气湿度及太阳辐射四分量,土壤不同深度土壤温度和土壤湿度及电磁四因子(工频电场、工频磁场、无线电干扰与可听噪声)的长达3年以上的数据采集。利用大气数值模式,实现了对大型光伏电站对荒漠地区局地环境气候影响的评估。研究结论如下:光伏发电系统在自身发电过程中不但不会对周围环境产生不利影响,还可以对局地微气候和生态环境起到改善作用。从光伏电站对大气、土壤的影响研究结果来看具体如下:

光伏电站是一个能量汇(冷源),站内等效气温低于站外,对局地空气有降温作用;

光伏电站对近地层大气在夜间有保温效应,在白天有降温效应,可减小气温日较差;

光伏电站内空气相对湿度大于站外,对空气有增湿效应;

光伏电站在白天对土壤有遮阴作用,与自然下垫面相比,降低了土壤温度,有冷却效应;而夜晚相反,有保温效应。在土壤浅层光伏电站内外土壤温度差异显著,光伏电站内土壤温度日较差明显低于站外;

光伏电站对于土壤湿度的影响表现在增湿作用。对于格尔木戈壁地区光伏电站内土壤湿度比场外大3-4倍。。。。。。

综上所述,由于光伏组件的遮盖,使得光伏电站场内浅层土壤温度保持稳定,土壤水分蒸发量减小,近地表空气昼夜温差缩小,这些空气、土壤温湿度条件综合在一起,有助于土壤涵养水分和微生物的滋养,对于改善光伏电站局地生态环境起到积极作用[4]。

6.光伏电站运行期有益于水土保持

光伏电站在建成后,地表状况有2-3年的自然恢复期。根据有关光伏电站水土保持方案报告书及光伏电站实际运行情况,光伏电站在运行期可以有效减少水土流失速率,生态环境得到有效改善。这主要是因为光伏电池板对地表风的阻挡作用,有效降低了地面风速,同时减少了光伏电站内的地表蒸发,增大了土壤湿度,从而减少了水土流失量,对水土保持和植被恢复是有益的。

7.光伏电站运行期没有光污染问题

因在太阳电池表面涂覆了减反射膜,故在阳光下电池呈蓝色,但却可增加太阳电池的光吸收,降低太阳电池板表面反射太阳光;电池上覆盖压花超白钢化玻璃,增加了光的漫反射,最大限度地降低了光的定向反射,避免了光伏电板反射太阳光对航空、人群及行驶的车辆的影响。如果电站周围没有光敏感保护目标,则光污染影响可忽略。

8.光伏发电系统在发电过程中不会对人体产生电磁危害

光伏电站通过太阳能板和汇集箱将直流电送到逆变器,逆变为交流后输送到变电站升压再送至电网。由于在变压器升压前,其电压一般低于35kV。参考国际卫生组织(WHO)、国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和我国相关电磁环境标准,在环境研究项目中经科学测定得出结论:太阳能光伏发电系统的电磁环境低于各项指标的限值,在工频段,太阳能光伏电站电磁场辐射值甚至低于常用家用电器,不会对人身健康产生影响。工频电场、工频磁场和可听噪声测量结果具体如下:

光伏电站内逆变室、汇集站、太阳板下、汇流箱等区域的工频电场、工频磁场远低于公众暴露限值,站内变电站区域工频电场和工频磁场与常规交流变电站相同,不存在对人员、动植物等电磁环境影响的特殊性;

光伏电站站界外,无线电干扰已经与背景噪声相同,因此对于站外的设备、人员和动植物没有影响;在站内测试的可听噪声与站外测试获得的背景噪声几乎相同,光伏电站内也不存在可听噪声的影响。

比一比:工频下光伏电站与常用家用电器电磁辐射测试结果对比[5]
2016年5月,接受国家能源局委托,中国可再生能源学会光伏专委会针对农业光伏推广中,相关国土、农业主管部门对光伏与农业环境影响提出的若干疑虑和问题,基于以上研究成果,适时提出了客观分析报告和“光伏电站在建设期对环境的影响非常小,可完全满足国家环评要求。光伏电站在运行期,废气、废水及固废方面对环境影响非常小,可完全满足国家环评要求;对局域生态的影响方面,从电磁、大气、土壤,水土流失等方面的现有研究结果来看,未见不利影响”的主要观点,助力国家在农业光伏的市场发展推广上继续积极部署。

三 涅槃重生,回收处理

太阳能光伏组件的寿命约为25年,随着光伏行业的快速发展,在未来会有大量的退役光伏组件面临回收再利用的问题。国际上对于光伏组件回收技术的研究已有10多年,欧洲、美国、日本及韩国等国家和地区都积极开展了相关的研究工作。同时,欧盟修订了报废电子电气设备(WEEE)指令,自2014年2月起全面正式生效。WEEE修订版第一次将光伏组件纳入其中,规定报废的光伏组件和家用电器作为一类产品进行强制回收处理。因此,光伏组件的回收与无害化处理是当前国际国内产业界和环境界十分关注的问题,对于有效缓解资源供应的紧张及避免环境污染有着重要的意义。

在我国,随着近几年光伏行业的迅猛发展,光伏组件回收的技术和政策体系也逐步受到关注。据中科院电工所于“十二五”863光伏组件回收项目的研究预测,到2034年,我国将产生至少60-70GW的废弃光伏组件。光伏组件中的硅,银,铜,铝等有价值的资源,大部分都能通过回收实现物料循环再利用,可节约资源,减少对原生资源的开采及降低资源提炼的耗能,从而减轻由此带来的生态环境影响及破坏。国家科技部和环保部都于近期部署了相应的研究项目开展工作,致力于探索能耗低、污染小、资源化再利用率高、经济可行的光伏组件回收再利用技术路径。

最后,让我们告诉身边的人:光伏发电,环境友好,百年大计[6]。

光伏不弱了。中国,从2007年起已经连续近10年成为世界第一大光伏产品制造国,并且连续3年成为世界光伏安装应用第一大国…

光伏不落后了。可敬的中国光伏人如夸父追日,半世纪兢兢业业自主技术创新,中国制造屡屡刷新世界光伏电池转换效率纪录…

光伏不贵了。在过去的10年内价格已经下降为原来的十分之一。中国制造成本下降,促使全球24国光伏平价上网时代到来,也为我国太阳能规模化应用奠定基础…

光伏不高能耗了。发电1.17年即可全部回收制造过程的能源消耗,另外它至少可以如岁月静好般的为您服务25年,甚至更久…

光伏不脏不污染了。闭环生产和物料循环完全可以做到清洁生产环境友好…

光伏不神秘不遥远了。57万平方公里荒漠戈壁,仅开发5%用于光伏发电即可年发电约2.4万亿度电,相当于2013年29个三峡电站的年发电量;除了荒漠戈壁,我们还有60亿平米建筑可利用面积[7],还有超过200万公顷日光温室和农业大棚,光伏将如星星之火燎原之势般走进我们的生活…

光伏不孤独了。近3年来中央能源主管部委每年共出台约30多项激励政策鼎力支持、国家电网积极服务欢迎接纳电力家庭新成员、银行金融保险也纷纷加入朝阳投资…

尽量告诉身边的人,特别是孩子:“未来,你们还可以,这样生活”。[8]


[1] 环保部环境公益项目“新能源产业(太阳能电池板)环境影响与管理研究”《Pollutant payback Time, Environmental Impact of Chinese Multi-Crystalline Photovoltaic Production based on Life Cycle Assessmen》MinghuiXie etc.2016

[2]中国数字科技馆地球资源博览馆: http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/diqiuziyuan/cr2_1.html

[3] NREL:Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Crystalline Silicon Photovoltaic Electricity Generation: Systematic Review and Harmonization”

[4]《光伏电站对格尔木荒漠地区太阳辐射场的影响研究》,高晓清、吕芳等,太阳能学报, 2015, 36(9):2160-2166

[5] 狄韶斌,谭金敬. 家用电器工频电磁辐射水平分析[J]. 新疆环境保护. 2006(02http://www.chinabaike.com/article/292/293/2007/2007021945215.html

[6]科技部2013年光伏产业重大专题调研报告中国光伏,百年大计——关于推进战略性新兴产业光伏行业健康发展的建议,2013年6月,许洪华等

[7] 《中国太阳能发展路线图2020,2030和2050》,中国可再生能源学会,2014年12月

[8] 《穹顶之下,还有光伏》,2015年3月,吕芳
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