2.3　光伏系统的能量回收期及CO2减排潜力

2.3.1　能量回收期（EPT）

光伏发电作为可再生能源，之所以受到广泛重视，被认为是更有前景的“绿色”能源，主要因其着眼于解决地球上环境问题。判断可再生能源的指标，一是可接受的成本，二是减排温室气体的潜力。前者已无争议，世界上不少发达国家光伏发电已实现平价上网。这里要首先介绍一下能量回收期概念，然后阐明其减排CO2的潜力。

光伏发电系统，包括太阳电池组件及系统平衡部件，在制造过程中也要消耗能量，也会产生温室气体。而这部分能量由自身发电再回收。其回收所需的时间就称为能量回收期（Energy Payback Time，EPT）。假定某个装置每年产生的能量与其寿命周期相乘，得到该装置在寿命期内能够产生的能量，若此能量小于制造该装置的能耗，则该装置就不能作为能源使用。

光伏系统EPT取决于一系列复杂因素。输入的能量与很多因素相关，如太阳电池类型（单晶硅、多晶硅、非晶硅或其他薄膜电池等）、工艺过程、封装材料和方式等，方阵的框架与支撑结构，系统平衡部件（BOS）的材料和制造工艺。系统若带储能装置，就要考虑蓄电池。另外，还要考虑安装、运行以及寿命期结束后拆除和废物处理等所耗能量。

光伏系统输出的能量也与很多因素相关，如系统设计是否优化，设备配置是否合理，施工安装有无不当，运行维护可否到位，太阳电池组件及配套部件的使用寿命及其性能和效率，当地的地理及气象条件等。此外，还有一些并不与发电系统本身相关的间接因素。

尽管影响EPT的因素错综复杂，依然可以通过理论研究和实际调查来进行梳理，把握主要因素，进行综合分析。自20世纪90年代以来，许多欧美学者作出过相关的详细研究分析，表2-3列出了部分研究结果。

值得一提的，荷兰乌德勒支大学Alsema E.A.是光伏发电效益领域最著名的研究人员之一，他在1998年7月发表的Energy Payback of Photovoltaic Energy Systems：Present Status Prospects论文中，分析比较了多国发表的十多篇公认为合理的文献，指出一些文献中对于制造组件所需能量不一样，多晶硅2400～7600MJ/m2，单晶硅在5300～16500MJ/m2，其部分原因是生产过程的参数不同，如硅片厚度和切片损失等的影响。Alsema建立了多晶硅、单晶硅、薄膜电池组件和配套部件所需能量的“最佳估计”方法。2000年他分析了不同类型的组件，提出多晶硅电池和薄膜电池包含铝边框，支撑结构和逆变器等需要的能量后，系统的能量偿还时间分别是3.2年和2.7年。太阳电池寿命估计为25～30年，因此这些部件的能量偿还时间只有寿命的1/10。Alsema当时估计，由于技术进步，到2010年可减少到1～2年。目前在中国已经实现。到2020年将会更低。

自从2009年以来，中国政府更加重视光伏能源的国内应用，制定了一系列政策措施，并网光伏发电系统得到飞速发展，尤其是使用多晶硅组件的建筑物屋顶分布式并网光伏发电系统已十分普遍。有关这方面的能量回收期的问题引人关注，因此这里特别要提到国际能源署（IEA-PVPS）联合报告。

国际能源署（IEA-PVPS）、欧洲光伏技术讲坛（EPTP）和欧洲光伏工业协会（EPIA）在2006年5月联合发表报告Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electri-city in OECD Cities，基于在世界范围内调查现有关于光伏系统能量输入的研究，报告提供了全部光伏系统（不但有组件，还包括配套部件、连接电缆和电子器件等）的能量偿还时间取决于当地的太阳辐照情况，对于26个经合组织（OECD）国家的41个主要城市进行了分析计算，详细列举了这些城市的光伏单位功率年发电量、能量回收因子和光伏单位功率每年相当于减少CO2排放量。结论是：对于屋顶安装并网光伏系统的能量回收时间为1.6～3.3年，如朝向赤道垂直安装则为2.7～4.7年。

Gaiddon B.等随后发表了文章Environmental Benefits of PV Systems in OECD Cities，对分析的依据和方法进行了阐述，指出上述结论主要是针对城市中采用标准多晶硅组件和逆变器的并网光伏系统的情况。

由于光伏方阵的朝向及倾角对于并网光伏系统的发电量有着重大影响，考虑到城市中在光伏与建筑一体化应用的具体情况，讨论以下两种常见情况。

（1）朝向赤道，方阵安装倾角为30°的屋顶并网光伏系统。

（2）光伏方阵朝向赤道垂直安装，即倾角为90°，如作为幕墙使用。

再根据当地的太阳辐照资料，计算单位功率（1kW）多晶硅并网光伏系统每年的发电量。

在整个光伏系统的加工、制造以及安装过程中，都要消耗能量，根据欧美9个现代光伏制造厂统计，并网多晶硅光伏系统所消耗的电能见表2-4。

最后分别计算出41个城市的并网光伏系统能量偿还时间，得出OECD国家光伏系统能量偿还时间范围，见表2-5。

在生产过程中，不同类型的太阳电池组件，单位功率所消耗的电能也不相同，而且不同工艺、生产规模等也有影响。对于多晶硅并网光伏系统，平均单位功率所消耗的电能如表2-4所示，即每千瓦多晶硅并网光伏系统消耗的电能是2525kW·h。

为了评估并网光伏系统的环境效益，对于中国28个主要城市，杨金焕教授等按照上述的技术指标进行了分析计算。其中当地水平面上的太阳辐照量，根据国家气象中心发表的1981～2000年中国气象辐射资料年册的测量数据取平均值，并且依照Klein.S.A和Theilacker.J.C提出的计算方法，算出不同倾斜面上的月平均太阳辐照量并进行比较，得到当地全年能接收到的最大太阳辐照量H1，其相应的倾角作为并网光伏方阵最佳倾角，同样可以确定朝向赤道垂直安装时方阵面上全年接收到的太阳辐照量，得出的中国部分城市并网光伏系统的能量回收时间见表2-6。

在中国部分主要城市中，朝向赤道，按照方阵最佳倾角安装和垂直安装的并网光伏系统，能量回收时间最短的是拉萨，分别只有1.57年和2.50年。在计算中没有计入运输、安装、运行以及最后寿命周期结束，拆除系统和处理废物所需要的外部输入能量。根据分析，这些能量分摊到太阳电池的单位功率（W）对于能量回收的影响很小。当然对于单晶硅电池，能量偿还时间稍有增加，而薄膜电池则有所减少。

总之，光伏系统在整个寿命周期（目前为25～30年，以后可望增加到35年）内，所产生的能量，远大于其制造、运输、安装、运行等阶段全部输入的能量，而且随着技术的发展，在光伏系统的制造、安装过程中消耗的能量还将不断减少，能量偿还时间将进一步缩短，光伏发电确实是值得大力推广的清洁“绿色”能源。

2.3.2　光伏系统CO2减排量

评估光伏系统减少CO2排放量有两个层面工作：一是CO2排放指数，表示光伏系统在某地每发1kW·h，相当于减少CO2的排放量。由于不同的国家电厂的燃料结构差别很大，这个指数并不相同，应经调查研究、分析计算得出；二是光伏系统减排CO2潜力，指单位功率光伏系统输出的电能相当于减少CO2的排放量，这也需要分析计算。

2.3.2.1　CO2排放指数

化石燃料燃烧时要排放温室气体，通常包含CO2、SO2、NOx等多种成分。

根据美国能源部能源信息管理综合分析及预测办公室（EIA）2008年6月发表的Energy Outlook 2008DOE/EIA-0383（2008）的附表A18和A8，整理得到全球2005～2030年发电排放温室气体数量的统计和预测结果，见表2-7。

可见，温室气体中主要是CO2，为了量化，通常用减少的CO2排放量来作为衡量减少温室气体的效果。

常规电厂在燃烧化石燃料发电时产生温室气体，造成环境污染，而光伏系统是没有任何废弃物的清洁能源，因此在光伏系统输出电能时，可以避免与当地电厂产生同等数量电能所产生温室气体的排放。通过评估光伏系统减少CO2排放量的情况，通常以CO2排放指数（Emission Index，EI）衡量。定义是当地（指一个国家范围内）混合（使用多种燃料）发电厂每产生1kW·h电能，平均排放CO2的数量，单位是kg/（kW·h）。即光伏系统在当地每发电1kW·h，相当于减少CO2的数量。

CO2排放指数主要与发电厂所使用的燃料有关，不同燃料在燃烧时排放CO2的数量不同，对于水能、太阳能、风能、地热能等清洁能源，发电时的CO2排放量为零；核能发电排放量极少，也可以认为排放量为零；对于其他种类的燃料，产生温室气体的数量并不相同。某种燃料单位发电量所排放CO2的数量称为温室气体排放因子（Greenhouse Gas Emission Factor），单位是tCO2/（MW·h）。根据IEA-PVPS联合报告，电力生产中不同种类燃料的温室气体排放因子见表2-8。

由于使用的燃料成分不同，各个国家的CO2排放指数相差很大，世界平均CO2减排指数取0.6kg/（kW·h）。确定CO2排放指数可以有两种方法。

（1）根据不同种类燃料产生电能计算

只要将发电时消耗各种燃料的数量与相应的燃料排放因子相乘，就可得到各种燃料的CO2排放量，相加后除以当年各种燃料总发电量，就可得出CO2排放指数。

根据Energy Outlook 2007附表H7～H11综合整理得出中国2004～2030年各种燃料发电量，见表2-9。

若以2004年为例，根据表2-9，结合各种燃料的温室气体排放因子，可得到中国2004年各类燃料的CO2排放量，见表2-10。

因此中国的CO2排放指数为

EI=16922.57×105t/（20800×105MW·h）=0.814t/MW·h=0.814kg/（kW·h）

（2）根据发电平均耗煤量估算

据中国电力部门统计，2005年全国发电24975.26亿千瓦时，6000kW以上电厂发电标准煤耗343g/（kW·h），供电标准煤耗370g/（kW·h）。供电标准煤耗比发电标准煤耗高的原因是在末端用户处，由于经过电网输送，电能有所损失。

以供电标准煤耗370g/（kW·h）来计算，如果发电标准煤的含碳量是60％，则相当于每发1kW·h电能，要消耗0.222kg碳，转化成CO2为

0.222kg×44/12=0.814kg

因此，CO2排放指数EI=0.814kg/（kW·h），这与前面得到的结果完全相同。

中国的CO2排放指数较高，主要原因是发电燃料结构中，燃烧煤炭的比重偏高，由表2-11可见，在中国的总发电量中，燃煤发电占了将近80％，这对环境的影响很大。

2.3.2.2　光伏系统CO2减排潜力

光伏系统CO2减排潜力（Potential Mitigation，PM）的定义是：由给定的单位功率光伏系统输出的电能从而减少温室气体的排放量，也即安装单位功率（如1kW）的光伏系统，在其寿命周期内，所输出的电能相当于减少排放CO2的数量，单位是tCO2/kW。

显然，光伏减排CO2潜力除了与CO2排放指数有关以外，还取决于光伏系统在当地的发电量。其计算方法是单位功率（1kW）的光伏系统在其寿命周期内所输出的电能（kW·h）乘以CO2排放指数（tCO2/kW·h）。结合式（2-1），得到光伏减排CO2潜力的公式为

PM=KP0Yr·N·EI　　（2-3）

式中　N——寿命周期年数；

EI——CO2排放指数

对于中国28个主要城市，参照IEA-PVPS联合报告的技术条件，同样做了以下两项修正。

（1）考虑到光伏系统在制造过程中要消耗能量，也要产生温室气体，所以应该扣除能量偿还时间内的CO2排放量。根据表2-4，根据欧美9个光伏生产企业的统计，对于1kW并网多晶硅光伏系统，在制造过程中要消耗电量2525kW·h。因此，光伏减排CO2潜力的计算公式应改为

PM=（KP0YrN-2525）EI

（2）分别依据朝向赤道按最佳倾角安装和朝向赤道垂直安装两种并网光伏系统的情况，进行分析计算。系统综合效率以PR=75％来计算，光伏系统的寿命周期为30年，得到的结果见表2-12。