光伏系統能量償還時間的分析

上海電力學院太陽能研究所 楊金煥

1.概述

光伏發電是無污染的清潔能源，不過在制造光伏系統過程中，也需要消耗一定能量。有不少人對于光伏系統所產生的能量是否能夠補償制造過程中所消耗的能量表示懷疑，甚至有人認為光伏發電是得不償失。

衡量一種發電系統是否有效的指標之一是：能量償還時間（EPBT），其定義是：在系統壽命周期內輸入的總能量與系統運行時每年產生的能量之比率，兩者使用同樣單位，都用一次能源或者用電能來表達。

式中，

Ein是光伏系統壽命周期內輸入的總能量，包括制造、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的全部能量；

Eg是光伏系統運行時每年輸出的能量。EPBT的單位是年，顯然能量償還時間越小越好。

光伏系統能量返還時間取決于一系列復雜的條件，輸入的能量與很多因素有關，如太陽電池的類型（如單晶硅、多晶硅、非晶硅還是其他薄膜電池）、工藝過程、封裝材料和方式等；方陣的框架及支撐結構；配套部件（BOS）的材料（包括箱體、元件等）和工藝；有時還有蓄電池。此外還要加上在安裝、運行以及最后壽命周期結束，拆除系統和處理廢物時所需要的能量，特別是還要考慮人員的勞動所付出的能量。

光伏系統輸出的能量也與很多因素有關，如太陽電池和配套部件的使用壽命及其性能和效率、光伏系統的類型（如離網系統還是并網系統）、當地的地理及氣象條件，系統的設計是否合理，方陣傾角是否恰當，安裝過程有無不當，維護管理的情況等。除此以外，還有一些并不與發電系統本身直接有關的間接因素。

在20世紀90年代初，國外開始大量進行光伏系統能量償還時間的分析研究，其中最有影響的是荷蘭烏德勒支大學Alsema E.A.，他建立了多晶硅、單晶硅、薄膜電池組件和配套部件所需要能量的“最佳估計”方法，發表了多篇有關論文。他在1998年7月發表的的論文中，分析比較了各國發表的十多篇公認為合理的參考文獻，通過分析和計算，最后得出的結論是對于多晶硅組件系統的能量償還時間有很大的不同，從高估計的8年到低估計的3～4年。未來屋頂安裝的光伏系統可以期望多晶硅組件和非晶硅組件的能量償還時間分別降低到1.7年和1.2年。

Knapp K.E.和Theresa L.Jester于2000年6月發表論文，提出兩個因素決定了光伏組件的能量償還時間，即生產過程和系統實際應用中分別消耗和產生多少能量。在生產過程中消耗的能量包括直接消耗的能量和使用的原材料所消耗的能量。他們根據西門子太陽能公司的實際產量和消耗的能源，計算出單晶硅電池的能量償還時間為3.3年。

2004年5月美國俄亥俄州奧柏林學院的Murray M.E.發表了論文，對于安裝在該校屋頂的58.65 kW單晶硅組件并網光伏系統進行了具體的分析和計算，考慮了光伏組件和配套部件等全部能量消耗后，得出能量償還時間為7.3年。

美國可再生能源實驗室在2004年1月發表了研究報告“PV FAQs”（ DOE/GO-102004-2040），指出：目前的技術對于多晶硅組件能量償還時間為4年，預期將來為2年。薄膜電池組件用目前的技術為3年，預期將來為1年。兩種光伏系統的能量償還時間見圖1。

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 environmentalindicators ofphotovoltaic electricity in OECD cities”，在世界范圍內調查現有關于光伏系統能量輸入的研究，報告提供了清晰而詳細的輪廓，全部光伏系統（不單有組件，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、能量返還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償還時間為1.6～3.3年，如朝向赤道垂直安裝則為2.7～4.7年。最好的是澳大利亞珀斯，最差的是英國的愛丁堡。

Gaiddon B.等人隨后發表了：“Environmental Benefits of PV Systems in OECD Cities”的文章，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的影響，考慮到城市中在光伏與建筑一體化應用的具體情況，現討論以下兩種常見情況：

＊朝向赤道，方陣安裝傾角為30°的屋頂并網光伏系統；

＊光伏方陣朝向赤道垂直安裝，即傾角為90°，如作幕墻使用。

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。

根據歐、美9個現代光伏制造廠統計，對于并網多晶硅光伏系統所消耗的電能見表1。

表1 每千瓦并網多晶硅光伏系統所消耗的電能

最后分別算出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如表2所示。

表2 OECD國家光伏系統能量償還時間范圍

2008年9月綠色和平組織和歐洲光伏工業協會（EPIA）聯合發表的“Solar Generation V-2008”研究報告中援引了Alsema等人在21屆歐洲太陽能光伏會議上發表的論文，結論是對于不同種類的太陽電池組件（單、多晶，硅帶和薄膜）和地點（南、北歐）光伏系統的能量償還時間在1～3.6年之間（見圖2）。

2 相關參數的計算

2.1 光伏系統運行時每年輸出的能量

離網光伏系統所產生的有效發電量除了取決于光伏方陣容量、當地的氣象和地理條件以及現場的安裝、運行情況等因素以外，還要受到蓄電池容量及維持天數的限制，情況比較復雜。所以本文主要討論并網光伏系統的情況。

單位功率并網光伏系統每年輸出的能量通常可以用以下公式計算：

式中，Eout為單位功率光伏系統每年輸出的能量，單位是kWh/（kW·年）；

Ht為傾斜方陣面上全年接收到的太陽總輻照量，單位是kWh/（m2·年）除以1kW/m2即每年的峰值日照時數；

P0為光伏系統額定功率1kW；

PR(Performance Ratio)為系統綜合效率。

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的影響，考慮到城市中在光伏與建筑一體化應用的具體情況，（IEA-PVPS）聯合報告中分析了方陣傾角是30°和垂直安裝即傾角為90°的兩種情況。然而，不同城市緯度相差很大，都用方陣傾角是30°來比較并不合理，因此稍作修正，討論以下兩種常見的情況：

○朝向赤道，按照方陣最佳傾角安裝的并網光伏系統，方陣最佳傾角是指方陣在該傾角時當地全年能接收到最大太陽輻照量所對應的傾角。

○光伏方陣朝向赤道垂直安裝，即傾角為90°。

PR是除了組件以外的整個系統效率，包括直流輸入和交流輸出兩大部分損耗，根據統計和分析，參照前面國際能源署光伏系統項目研究報告中的數據，考慮平均用PR=75%來計算。

2.2 光伏系統在壽命期間輸入的總能量

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，而且不同的工藝、生產規模等也有影響。以目前常用的幾種電池比較，同樣功率的單晶硅電池消耗的能量最多，其次是多晶硅電池，非晶硅電池消耗的能量最少。以下都用多晶硅電池來進行比較。

對于多晶硅并網光伏系統，平均單位功率所消耗的電能應用表1的結果，即每kW多晶硅并網光伏系統消耗的電能是2525kWh。

對于中國28個主要城市，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，是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（1981年）所提出的計算方法，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Ht，其相應的傾角作為并網光伏方陣最佳傾角，同樣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。其余參數的計算方法均按上述。計算得出中國部分城市并網光伏系統的能量償還時間如表3所示。

3 結論

表3 中國部分城市并網光伏系統的能量償還時間

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，能量償還時間最短的是拉薩，分別只有1.57年和2.50年；最長的是重慶，分別為3.76年和6.92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外部輸入的能量，但是根據分析，這些分攤到太陽電池的單位功率（W）上所需能量不大，對于能量償還時間影響很小，為了謹慎起見，即使將以上數值除以0.8，對拉薩而言，也分別只有1.96年和3.13年；重慶則分別增加為4.70年和8.65年。當然對于單晶硅電池，能量償還時間會稍有增加，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、運行等全部輸入的能量，而且隨著技術的發展，光伏系統的制造、安裝過程中消耗的能量還將不斷下降，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。

[1]Alsema.E.A,Frankl.P,Kato.K.Energyback time of photovoltaic energy systems:present status and prospects [C].2nd World Conference on Photovoltaic Solar Conversion,Vienna,1998

[2]K.Knapp;T.L.Jester,An Empirical Perspectiveon the Energy Payback Time for PV modules[C].Solar 2000 Conference,Madison,WI,June 16-21,2000.

[3]Gaiddon B,Jedliczka M,Villeurbanne H.Compared Assessment ofSelectedEnvironmental IndicatorsofPhotovoltaic Electrisity in OECD Cities[R].IEA PVPS Task 10,Activity 4.4 Report IEA-PVPS T10-01:2006,May 2006

[4]Klien S.A,Theilacker J.C.An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces [J].JournalofSo lar Energy Engineering,1981,103:29～33.