2.3　光伏系統的能量回收期及CO2減排潛力

2.3.1　能量回收期（EPT）

光伏發電作為可再生能源，之所以受到廣泛重視，被認為是更有前景的“綠色”能源，主要因其著眼于解決地球上環境問題。判斷可再生能源的指標，一是可接受的成本，二是減排溫室氣體的潛力。前者已無爭議，世界上不少發達國家光伏發電已實現平價上網。這里要首先介紹一下能量回收期概念，然后闡明其減排CO2的潛力。

光伏發電系統，包括太陽電池組件及系統平衡部件，在制造過程中也要消耗能量，也會產生溫室氣體。而這部分能量由自身發電再回收。其回收所需的時間就稱為能量回收期（Energy Payback Time，EPT）。假定某個裝置每年產生的能量與其壽命周期相乘，得到該裝置在壽命期內能夠產生的能量，若此能量小于制造該裝置的能耗，則該裝置就不能作為能源使用。

光伏系統EPT取決于一系列復雜因素。輸入的能量與很多因素相關，如太陽電池類型（單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他薄膜電池等）、工藝過程、封裝材料和方式等，方陣的框架與支撐結構，系統平衡部件（BOS）的材料和制造工藝。系統若帶儲能裝置，就要考慮蓄電池。另外，還要考慮安裝、運行以及壽命期結束后拆除和廢物處理等所耗能量。

光伏系統輸出的能量也與很多因素相關，如系統設計是否優化，設備配置是否合理，施工安裝有無不當，運行維護可否到位，太陽電池組件及配套部件的使用壽命及其性能和效率，當地的地理及氣象條件等。此外，還有一些并不與發電系統本身相關的間接因素。

盡管影響EPT的因素錯綜復雜，依然可以通過理論研究和實際調查來進行梳理，把握主要因素，進行綜合分析。自20世紀90年代以來，許多歐美學者作出過相關的詳細研究分析，表2-3列出了部分研究結果。

值得一提的，荷蘭烏德勒支大學Alsema E.A.是光伏發電效益領域最著名的研究人員之一，他在1998年7月發表的Energy Payback of Photovoltaic Energy Systems：Present Status Prospects論文中，分析比較了多國發表的十多篇公認為合理的文獻，指出一些文獻中對于制造組件所需能量不一樣，多晶硅2400～7600MJ/m2，單晶硅在5300～16500MJ/m2，其部分原因是生產過程的參數不同，如硅片厚度和切片損失等的影響。Alsema建立了多晶硅、單晶硅、薄膜電池組件和配套部件所需能量的“最佳估計”方法。2000年他分析了不同類型的組件，提出多晶硅電池和薄膜電池包含鋁邊框，支撐結構和逆變器等需要的能量后，系統的能量償還時間分別是3.2年和2.7年。太陽電池壽命估計為25～30年，因此這些部件的能量償還時間只有壽命的1/10。Alsema當時估計，由于技術進步，到2010年可減少到1～2年。目前在中國已經實現。到2020年將會更低。

自從2009年以來，中國政府更加重視光伏能源的國內應用，制定了一系列政策措施，并網光伏發電系統得到飛速發展，尤其是使用多晶硅組件的建筑物屋頂分布式并網光伏發電系統已十分普遍。有關這方面的能量回收期的問題引人關注，因此這里特別要提到國際能源署（IEA-PVPS）聯合報告。

國際能源署（IEA-PVPS）、歐洲光伏技術講壇（EPTP）和歐洲光伏工業協會（EPIA）在2006年5月聯合發表報告Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electri-city in OECD Cities，基于在世界范圍內調查現有關于光伏系統能量輸入的研究，報告提供了全部光伏系統（不但有組件，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地的太陽輻照情況，對于26個經合組織（OECD）國家的41個主要城市進行了分析計算，詳細列舉了這些城市的光伏單位功率年發電量、能量回收因子和光伏單位功率每年相當于減少CO2排放量。結論是：對于屋頂安裝并網光伏系統的能量回收時間為1.6～3.3年，如朝向赤道垂直安裝則為2.7～4.7年。

Gaiddon B.等隨后發表了文章Environmental Benefits of PV Systems in OECD Cities，對分析的依據和方法進行了闡述，指出上述結論主要是針對城市中采用標準多晶硅組件和逆變器的并網光伏系統的情況。

由于光伏方陣的朝向及傾角對于并網光伏系統的發電量有著重大影響，考慮到城市中在光伏與建筑一體化應用的具體情況，討論以下兩種常見情況。

（1）朝向赤道，方陣安裝傾角為30°的屋頂并網光伏系統。

（2）光伏方陣朝向赤道垂直安裝，即傾角為90°，如作為幕墻使用。

再根據當地的太陽輻照資料，計算單位功率（1kW）多晶硅并網光伏系統每年的發電量。

在整個光伏系統的加工、制造以及安裝過程中，都要消耗能量，根據歐美9個現代光伏制造廠統計，并網多晶硅光伏系統所消耗的電能見表2-4。

最后分別計算出41個城市的并網光伏系統能量償還時間，得出OECD國家光伏系統能量償還時間范圍，見表2-5。

在生產過程中，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，而且不同工藝、生產規模等也有影響。對于多晶硅并網光伏系統，平均單位功率所消耗的電能如表2-4所示，即每千瓦多晶硅并網光伏系統消耗的電能是2525kW·h。

為了評估并網光伏系統的環境效益，對于中國28個主要城市，楊金煥教授等按照上述的技術指標進行了分析計算。其中當地水平面上的太陽輻照量，根據國家氣象中心發表的1981～2000年中國氣象輻射資料年冊的測量數據取平均值，并且依照Klein.S.A和Theilacker.J.C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行比較，得到當地全年能接收到的最大太陽輻照量H1，其相應的傾角作為并網光伏方陣最佳傾角，同樣可以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，得出的中國部分城市并網光伏系統的能量回收時間見表2-6。

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光伏系統，能量回收時間最短的是拉薩，分別只有1.57年和2.50年。在計算中沒有計入運輸、安裝、運行以及最后壽命周期結束，拆除系統和處理廢物所需要的外部輸入能量。根據分析，這些能量分攤到太陽電池的單位功率（W）對于能量回收的影響很小。當然對于單晶硅電池，能量償還時間稍有增加，而薄膜電池則有所減少。

總之，光伏系統在整個壽命周期（目前為25～30年，以后可望增加到35年）內，所產生的能量，遠大于其制造、運輸、安裝、運行等階段全部輸入的能量，而且隨著技術的發展，在光伏系統的制造、安裝過程中消耗的能量還將不斷減少，能量償還時間將進一步縮短，光伏發電確實是值得大力推廣的清潔“綠色”能源。

2.3.2　光伏系統CO2減排量

評估光伏系統減少CO2排放量有兩個層面工作：一是CO2排放指數，表示光伏系統在某地每發1kW·h，相當于減少CO2的排放量。由于不同的國家電廠的燃料結構差別很大，這個指數并不相同，應經調查研究、分析計算得出；二是光伏系統減排CO2潛力，指單位功率光伏系統輸出的電能相當于減少CO2的排放量，這也需要分析計算。

2.3.2.1　CO2排放指數

化石燃料燃燒時要排放溫室氣體，通常包含CO2、SO2、NOx等多種成分。

根據美國能源部能源信息管理綜合分析及預測辦公室（EIA）2008年6月發表的Energy Outlook 2008DOE/EIA-0383（2008）的附表A18和A8，整理得到全球2005～2030年發電排放溫室氣體數量的統計和預測結果，見表2-7。

可見，溫室氣體中主要是CO2，為了量化，通常用減少的CO2排放量來作為衡量減少溫室氣體的效果。

常規電廠在燃燒化石燃料發電時產生溫室氣體，造成環境污染，而光伏系統是沒有任何廢棄物的清潔能源，因此在光伏系統輸出電能時，可以避免與當地電廠產生同等數量電能所產生溫室氣體的排放。通過評估光伏系統減少CO2排放量的情況，通常以CO2排放指數（Emission Index，EI）衡量。定義是當地（指一個國家范圍內）混合（使用多種燃料）發電廠每產生1kW·h電能，平均排放CO2的數量，單位是kg/（kW·h）。即光伏系統在當地每發電1kW·h，相當于減少CO2的數量。

CO2排放指數主要與發電廠所使用的燃料有關，不同燃料在燃燒時排放CO2的數量不同，對于水能、太陽能、風能、地熱能等清潔能源，發電時的CO2排放量為零；核能發電排放量極少，也可以認為排放量為零；對于其他種類的燃料，產生溫室氣體的數量并不相同。某種燃料單位發電量所排放CO2的數量稱為溫室氣體排放因子（Greenhouse Gas Emission Factor），單位是tCO2/（MW·h）。根據IEA-PVPS聯合報告，電力生產中不同種類燃料的溫室氣體排放因子見表2-8。

由于使用的燃料成分不同，各個國家的CO2排放指數相差很大，世界平均CO2減排指數取0.6kg/（kW·h）。確定CO2排放指數可以有兩種方法。

（1）根據不同種類燃料產生電能計算

只要將發電時消耗各種燃料的數量與相應的燃料排放因子相乘，就可得到各種燃料的CO2排放量，相加后除以當年各種燃料總發電量，就可得出CO2排放指數。

根據Energy Outlook 2007附表H7～H11綜合整理得出中國2004～2030年各種燃料發電量，見表2-9。

若以2004年為例，根據表2-9，結合各種燃料的溫室氣體排放因子，可得到中國2004年各類燃料的CO2排放量，見表2-10。

因此中國的CO2排放指數為

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

（2）根據發電平均耗煤量估算

據中國電力部門統計，2005年全國發電24975.26億千瓦時，6000kW以上電廠發電標準煤耗343g/（kW·h），供電標準煤耗370g/（kW·h）。供電標準煤耗比發電標準煤耗高的原因是在末端用戶處，由于經過電網輸送，電能有所損失。

以供電標準煤耗370g/（kW·h）來計算，如果發電標準煤的含碳量是60％，則相當于每發1kW·h電能，要消耗0.222kg碳，轉化成CO2為

0.222kg×44/12=0.814kg

因此，CO2排放指數EI=0.814kg/（kW·h），這與前面得到的結果完全相同。

中國的CO2排放指數較高，主要原因是發電燃料結構中，燃燒煤炭的比重偏高，由表2-11可見，在中國的總發電量中，燃煤發電占了將近80％，這對環境的影響很大。

2.3.2.2　光伏系統CO2減排潛力

光伏系統CO2減排潛力（Potential Mitigation，PM）的定義是：由給定的單位功率光伏系統輸出的電能從而減少溫室氣體的排放量，也即安裝單位功率（如1kW）的光伏系統，在其壽命周期內，所輸出的電能相當于減少排放CO2的數量，單位是tCO2/kW。

顯然，光伏減排CO2潛力除了與CO2排放指數有關以外，還取決于光伏系統在當地的發電量。其計算方法是單位功率（1kW）的光伏系統在其壽命周期內所輸出的電能（kW·h）乘以CO2排放指數（tCO2/kW·h）。結合式（2-1），得到光伏減排CO2潛力的公式為

PM=KP0Yr·N·EI　　（2-3）

式中　N——壽命周期年數；

EI——CO2排放指數

對于中國28個主要城市，參照IEA-PVPS聯合報告的技術條件，同樣做了以下兩項修正。

（1）考慮到光伏系統在制造過程中要消耗能量，也要產生溫室氣體，所以應該扣除能量償還時間內的CO2排放量。根據表2-4，根據歐美9個光伏生產企業的統計，對于1kW并網多晶硅光伏系統，在制造過程中要消耗電量2525kW·h。因此，光伏減排CO2潛力的計算公式應改為

PM=（KP0YrN-2525）EI

（2）分別依據朝向赤道按最佳傾角安裝和朝向赤道垂直安裝兩種并網光伏系統的情況，進行分析計算。系統綜合效率以PR=75％來計算，光伏系統的壽命周期為30年，得到的結果見表2-12。