【科普】淺析「光伏發電 環境友好」的幾點補充說明

由於太陽能資源極大豐富、分布廣泛、應用方便，太陽能光伏發電成為世界各國普遍關注和重點發展的技術。發展太陽能在內的可再生能源戰略新興產業，加快能源結構調整，也是我國應對化石能源短缺和大氣汙染防治的雙重難題的根本出路，近年來太陽能光伏發電成為能源產業發展的焦點。

為了配合國家清潔能源轉型，消除社會公眾疑慮，樹立公眾對於光伏發電未來必將大範圍應用的信心，針對社會對光伏發電行業存在的環境汙染誤解，中國可再生能源學會光伏專委會曾於2014年5月發行《光伏發電環境友好》科普讀本近萬冊，受到社會歡迎。

近期某些公眾媒體仍舊散布一些針對光伏發電對環境影響的不實輿論，中國光伏行業協會針對這些言論，已經嚴肅指出謬誤之處並表明觀點以正視聽，論述詳實，有理有據，相關內容不再累牘贅述。本文將根據最新若干研究和實證成果，從全生命周期環境影響的理念出發，基於光伏發電全產業鏈條中的生產製造、安裝應用、回收與再利用三個生命環節，針對光伏的環境友好性進行補充說明和觀點表明。

一 神奇問世，光伏製造。

晶體矽光伏組件製造流程，包括多晶矽提純、矽片製造、電池製造、組件封裝4個生產環節。工業生產製造過程中會產生一定的廢氣、廢水或固體廢物，統稱為三廢，光伏製造過程也不例外。光伏製造過程中產生的絕大部分汙染物經簡單處理後即可達到國家安全排放標準，處理過程簡單且工藝成熟，對環境影響比較小，也有個別幾種光伏行業特有的汙染物，如：四氯化矽、廢砂漿以及氟化物，也有明確清晰和環境友好的處理和回用，不會對環境造成危害。下文將介紹其處理過程。

1.四氯化矽的去向

四氯化矽具有強腐蝕性，遇空氣後分解為矽酸和劇毒的氯化氫氣體。四氯化矽產生於西門子法提純多晶矽的環節，主要在兩個化學反應過程中產生，一是金屬矽(低純度多晶矽)轉化成三氯氫矽的過程;二是三氯氫矽高溫熱分解為高純多晶矽的過程。產生的四氯化矽經過收集和提純，通過冷氫化反應或熱氫化反應轉化為三氯氫矽，三氯氫矽接著熱分解又形成高純多晶矽。四氯化矽在矽提純生產過程中目前可實現全閉環微排放，通過氫化處理有害的四氯化矽轉換成為了具有很高經濟價值的三氯氫矽。

在多晶矽提純過程，會產生大量的四氯化矽，四氯化矽的回收再利用不僅僅對環境有益，更可帶來經濟價值。四氯化矽中矽元素的回收再利用實現了有害物質到有經濟價值物質的轉換。尤其目前的成本壓力下，企業都積極進行四氯化矽回收再利用以達到利潤最大化。

2.廢砂漿的回用

廢砂漿產生於矽片切割過程，廢砂漿由聚乙二醇及切割過程中產生的廢矽粉和廢碳化矽構成的，如果大量排放的話，其中的有機物聚乙二醇會造成水體和土壤的富營養化,對生態造成一定的破壞。為降低廢棄物對環境的影響，降低生產成本及資源消耗量，光伏行業現已經實現廢砂漿的回收再利用。切割的廢砂漿直接流到收集缸，取出後由處理工廠回收處理，回收出純度合格的聚乙二醇、碳化矽、甚至矽粉。回收出來的聚乙二醇和碳化矽可以用來做新的砂漿切割液，實現廢砂漿的回收再利用，回收再利用不僅降低了生產成本，而且降低了資源消耗量，同時降低了矽片切割過程的經濟成本。

另外，近年來金剛石線切割技術應用越來越普及，已大量取代普通不鏽鋼線切割技術應用在單晶切割中。金剛石線切割不僅切割速率高而且不再需要使用砂漿，未來隨著金剛線切割技術市場份額的不斷擴大，砂漿將被越來越少使用。

3.氟化物的處理

氟化物是一種會對生態環境帶來嚴重危害的物質，氟化物主要產生於矽料和矽片的清洗環節，其排放形式有兩種，一種是廢水，一種是廢氣。如下圖所示，對於含氟廢水，目前的工廠都設有專門的含氟廢水處理池，通常情況下經過中和沉澱和絮凝沉澱等多道步驟後，氟化物被轉化為沉澱物沉澱在處理池底部，混合其他物質成為汙泥，一定時期後，汙泥會被打撈成為製作空心磚的原料;含氟廢氣不直接排放，在排放前需經過水性溶液的淋洗。在淋洗過程中氟化物被收集在水溶液中形成含氟廢水，被收集後進入含氟廢水處理池進行處理。

2012-2014年中國可再生能源學會光伏專委會、浙江大學矽材料國家重點實驗室與中國環科院合作完成環保部公益項目「新能源產業(太陽能電池板)環境影響與管理研究」，本研究實地調研多晶矽及矽片企業10多家，核算汙染物產排汙係數，提出晶體矽太陽能電池行業環境強度準入指標建議;同時建立晶體矽太陽能電池行業汙染防治技術評估方法，形成晶體矽太陽能電池行業(晶體矽)汙染防治最佳可行技術建議。

所有的工業生產過程中所有的過程都會帶來環境影響，整體環境影響包括物料消耗，能源消耗，汙染排放等過程，這些都可以通過LCA的方法量化整體分析。環保部環境公益項目「新能源產業(太陽能電池板)環境影響與管理研究」得出相關結論如下：從產業鏈過程看，高純多晶矽生產、矽片生產、電池片生產和組件封裝四個過程的環境影響分別佔總環境影響的43.30%、17.82%、12.50%和26.39%。而四個生產過程排放的汙染物產生的環境影響分別佔各自環節整體環境影響的0.02%、0.69%、1.93%和0.00%，汙染物排放總量產生環境影響僅佔總環境影響的0.38%。總的說來，光伏生產階段汙染物排放帶來的環境影響很小[1]。

2015-2016年中國可再生能源學會光伏專委會再度與中國環科院合作開展《多晶矽製造業汙染防治技術政策》編制。調研和編制工作正在進行，為了推動行業綠色發展，歡迎業界關注、支持和參與。主要用於制定多晶矽製造業(包括矽片製造)的發展政策，引導產業結構調整升級;同時作為環境保護相關規劃、汙染物排放標準、環境影響評價、總量控制、排汙許可等環境管理有關工作的制定依據;在企業層面主要用於指導企業汙染防治技術路線選擇，引領汙染防治技術進步，推動行業實現綠色發展。

二 生機勃發，發電應用

      1.太陽能資源取之不盡，用之不竭，可再生並潔淨環保光伏

太陽輻射是地-氣系統與大氣熱量的主要能源。太陽一刻也不停地向茫茫宇宙空間輻射這大量的電磁波。其中射向地球的那一部分，向地球輸送了大量的光和熱。地球在一年中從太陽獲得的能量，相當於人類現有各種能源在同期內所提供的能量的上萬倍[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，而太陽能卻是取之不盡，用之不竭的。

2.光伏發電原理先進，建設和發電形式極為簡潔

太陽能光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，是採用太陽電池將光能轉換為電能的發電方式。太陽電池的基本原理為半導體的光伏效應，即在太陽光照射下產生光電壓現象。

太陽能光伏發電利用太陽電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，實現直接從光子到電子轉換，沒有中間過程(如熱能-機械能、機械能-電磁能轉換等)和機械運動。實驗室研究的單個p-n結單晶矽電池效率最高已經接近25%;而多個p-n結的化合物半導體電池已經超過40%。

太陽電池組件結構簡單，體積小且輕，便於運輸，易於建造安裝，拆卸遷移，可根據不同系統容量，實現模塊化安裝，而且易於隨時擴大發電容量大大縮短建設周期。

光伏發電系統無機械轉動部件，不會產生噪聲，無需燃料和水源，不受海拔、地域等因素的制約，應用範圍廣泛。更為重要的是操作維護簡單，系統運行穩定性可靠性提高。隨著自動控制技術的發展，光伏發電系統可實現無人值守運行，大大降低運行維護成本。

3.光伏發電過程中不排放溫室氣體和其它廢氣、廢水，光伏電力是真正的環境友好型綠色電力

美國可再生能源國家實驗室NREL基於對13個不同類型的多晶矽光伏系統的全生命周期二氧化碳排放研究，在輻射量為每年每平方米1,700千瓦時(kWh)，系統壽命為30年，組件效率為13.2%-14.0%，系統發電效率為75%-80%的條件下，得出了多晶矽光伏系統全生命周期內每發一度電產生的二氧化碳的平均值為45克，而以煤為原料的火力發電全生命周期內每發一度電產生的二氧化碳的平均值1000克[3]。

根據世界自然基金會(WWF)的統計，在我國平均日照條件下，安裝1千瓦光伏發電系統，1年可發出1200度電，可減少煤炭(標準煤)使用量約400千克，減少二氧化碳排放約1噸，形象地說，安裝1平米太陽能光伏組件約相當於造林100平米。

4.光伏發電系統性能穩定、可靠，使用壽命長

經過2015年中國可再生能源學會光伏專委會在西部大型光伏電站現場檢測和調研基礎上，得出目前國內光伏系統電站能效比PR值多分布在70-80%之間，通過PR測評找到問題所在，結合光伏電站全流程優化，光伏系統25年整體綜合能效仍有大幅提高空間。

世界多家著名實驗室和研究機構都已開展相關研究和論證，如美國NREL國家實驗室、中山大學太陽能系統研究所，在長期戶外曝曬實證試驗後的認為晶體矽組件衰減較低，完全可實現25年以上的完美運行。這裡所說的組件25年，是指25年保質期，即25年衰減率不超過標稱功率20%，很多實證案例證明光伏組件完全可以在30年甚至更長時間內為人類持續提供清潔電力。

中國可再生能源學會光伏專委會在2015年開展公益科研活動「尋找中國最美光伏組件」項目歷時一年，踏遍10個省市，逾3萬公裡，尋訪並收集了雲南、西藏、青海、新疆、海南、廣東、內蒙古、北京等地實際發電運行10年以上、20年以上、30年以上的光伏老組件樣品，研究了在不同資源和氣候環境下光伏組件的電性能和材料性能的穩定性、長效性和耐候性，探索組件老化和效率的衰減與失效機理，在2015年10月13-15日在北京舉辦的「中國光伏大會暨國際展覽會」上進行了首展，向業界和公眾展示了運行仍在完美發電的老組件，提振行業信心。

公益科研項目「尋找中國最美老組件」的尋找和研究活動沒有停止，還在持續，我們收集的珍貴老組件，一方面將用於在中科院電工研究所內建立中國的「老組件博物館」，另一方面通過對不同地域老組件的性能分析探索失效機理，以及延伸的加速老化速度和可靠性測試方法。未來，中國可再生能源學會光伏專委會將基於此活動開展持續研究，如晶體矽光伏組件在特定氣氣候環境及安裝方式下的衰減軌跡模型等。

5.光伏發電為局地微氣候環境改善帶來正能量

針對大型人造工程對局地環境的影響，近年來越來越得到國際環境管理和研究機構的關注，光伏電站也不例外。但目前國際上對於光伏電站的氣候環境效應研究非常少，已有研究多集中在模擬計算大型光伏電站對局地大氣溫度的影響，僅有少數幾個項目建立了相關監測平臺，但迄今為止沒有看到相關結論性意見。為了填補國際研究空白，並通過實證觀測論證光伏電站的環境影響，「十二五」期間，在科技部863項目的支持下，國內首次開展了大型光伏電站對局地氣候環境效應研究，該任務由中科院電工研究所，中科院寒區旱區環境與工程研究所、華北電力大學、北京計科電中心等單位共同承擔。課題組在格爾木光伏電站建設了光伏電站氣候環境監測平臺，建立了光伏電站內外大氣、土壤和電磁環境數據採集系統，實現了大氣不同高度風速、風向、氣溫、氣壓、空氣溼度及太陽輻射四分量，土壤不同深度土壤溫度和土壤溼度及電磁四因子(工頻電場、工頻磁場、無線電幹擾與可聽噪聲)的長達3年以上的數據採集。利用大氣數值模式，實現了對大型光伏電站對荒漠地區局地環境氣候影響的評估。研究結論如下：光伏發電系統在自身發電過程中不但不會對周圍環境產生不利影響，還可以對局地微氣候和生態環境起到改善作用。從光伏電站對大氣、土壤的影響研究結果來看具體如下：

光伏電站是一個能量匯(冷源)，站內等效氣溫低於站外，對局地空氣有降溫作用;

光伏電站對近地層大氣在夜間有保溫效應，在白天有降溫效應，可減小氣溫日較差;

光伏電站內空氣相對溼度大於站外，對空氣有增溼效應;

光伏電站在白天對土壤有遮陰作用，與自然下墊面相比，降低了土壤溫度，有冷卻效應;而夜晚相反，有保溫效應。在土壤淺層光伏電站內外土壤溫度差異顯著，光伏電站內土壤溫度日較差明顯低於站外;

光伏電站對於土壤溼度的影響表現在增溼作用。對于格爾木戈壁地區光伏電站內土壤溼度比場外大3-4倍。。。。。。

綜上所述，由於光伏組件的遮蓋，使得光伏電站場內淺層土壤溫度保持穩定，土壤水分蒸發量減小，近地表空氣晝夜溫差縮小，這些空氣、土壤溫溼度條件綜合在一起，有助於土壤涵養水分和微生物的滋養，對於改善光伏電站局地生態環境起到積極作用[4]。

6.光伏電站運行期有益於水土保持

光伏電站在建成後，地表狀況有2-3年的自然恢復期。根據有關光伏電站水土保持方案報告書及光伏電站實際運行情況，光伏電站在運行期可以有效減少水土流失速率，生態環境得到有效改善。這主要是因為光伏電池板對地表風的阻擋作用，有效降低了地面風速，同時減少了光伏電站內的地表蒸發，增大了土壤溼度，從而減少了水土流失量，對水土保持和植被恢復是有益的。

7.光伏電站運行期沒有光汙染問題

因在太陽電池表面塗覆了減反射膜，故在陽光下電池呈藍色，但卻可增加太陽電池的光吸收，降低太陽電池板表面反射太陽光;電池上覆蓋壓花超白鋼化玻璃，增加了光的漫反射，最大限度地降低了光的定向反射，避免了光伏電板反射太陽光對航空、人群及行駛的車輛的影響。如果電站周圍沒有光敏感保護目標，則光汙染影響可忽略。

8.光伏發電系統在發電過程中不會對人體產生電磁危害

光伏電站通過太陽能板和匯集箱將直流電送到逆變器，逆變為交流後輸送到變電站升壓再送至電網。由於在變壓器升壓前，其電壓一般低於35kV。參考國際衛生組織(WHO)、國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)和我國相關電磁環境標準，在環境研究項目中經科學測定得出結論：太陽能光伏發電系統的電磁環境低於各項指標的限值，在工頻段，太陽能光伏電站電磁場輻射值甚至低於常用家用電器，不會對人身健康產生影響。工頻電場、工頻磁場和可聽噪聲測量結果具體如下：

光伏電站內逆變室、匯集站、太陽板下、匯流箱等區域的工頻電場、工頻磁場遠低於公眾暴露限值，站內變電站區域工頻電場和工頻磁場與常規交流變電站相同，不存在對人員、動植物等電磁環境影響的特殊性;

光伏電站站界外，無線電幹擾已經與背景噪聲相同，因此對於站外的設備、人員和動植物沒有影響;在站內測試的可聽噪聲與站外測試獲得的背景噪聲幾乎相同，光伏電站內也不存在可聽噪聲的影響。

比一比：工頻下光伏電站與常用家用電器電磁輻射測試結果對比[5]

2016年5月，接受國家能源局委託，中國可再生能源學會光伏專委會針對農業光伏推廣中，相關國土、農業主管部門對光伏與農業環境影響提出的若干疑慮和問題，基於以上研究成果，適時提出了客觀分析報告和「光伏電站在建設期對環境的影響非常小，可完全滿足國家環評要求。光伏電站在運行期，廢氣、廢水及固廢方面對環境影響非常小，可完全滿足國家環評要求;對局域生態的影響方面，從電磁、大氣、土壤，水土流失等方面的現有研究結果來看，未見不利影響」的主要觀點，助力國家在農業光伏的市場發展推廣上繼續積極部署。

三 涅槃重生，回收處理

太陽能光伏組件的壽命約為25年，隨著光伏行業的快速發展，在未來會有大量的退役光伏組件面臨回收再利用的問題。國際上對於光伏組件回收技術的研究已有10多年，歐洲、美國、日本及韓國等國家和地區都積極開展了相關的研究工作。同時，歐盟修訂了報廢電子電氣設備(WEEE)指令，自2014年2月起全面正式生效。WEEE修訂版第一次將光伏組件納入其中，規定報廢的光伏組件和家用電器作為一類產品進行強制回收處理。因此，光伏組件的回收與無害化處理是當前國際國內產業界和環境界十分關注的問題，對於有效緩解資源供應的緊張及避免環境汙染有著重要的意義。

在我國，隨著近幾年光伏行業的迅猛發展，光伏組件回收的技術和政策體系也逐步受到關注。據中科院電工所於「十二五」863光伏組件回收項目的研究預測，到2034年，我國將產生至少60-70GW的廢棄光伏組件。光伏組件中的矽，銀，銅，鋁等有價值的資源，大部分都能通過回收實現物料循環再利用，可節約資源,減少對原生資源的開採及降低資源提煉的耗能,從而減輕由此帶來的生態環境影響及破壞。國家科技部和環保部都於近期部署了相應的研究項目開展工作，致力於探索能耗低、汙染小、資源化再利用率高、經濟可行的光伏組件回收再利用技術路徑。

最後，讓我們告訴身邊的人：光伏發電，環境友好，百年大計[6]。

光伏不弱了。中國，從2007年起已經連續近10年成為世界第一大光伏產品製造國，並且連續3年成為世界光伏安裝應用第一大國…

光伏不落後了。可敬的中國光伏人如夸父追日，半世紀兢兢業業自主技術創新，中國製造屢屢刷新世界光伏電池轉換效率紀錄…

光伏不貴了。在過去的10年內價格已經下降為原來的十分之一。中國製造成本下降，促使全球24國光伏平價上網時代到來，也為我國太陽能規模化應用奠定基礎…

光伏不高能耗了。發電1.17年即可全部回收製造過程的能源消耗，另外它至少可以如歲月靜好般的為您服務25年，甚至更久…

光伏不髒不汙染了。閉環生產和物料循環完全可以做到清潔生產環境友好…

光伏不神秘不遙遠了。57萬平方公裡荒漠戈壁，僅開發5%用於光伏發電即可年發電約2.4萬億度電，相當於2013年29個三峽電站的年發電量;除了荒漠戈壁，我們還有60億平米建築可利用面積[7]，還有超過200萬公頃日光溫室和農業大棚，光伏將如星星之火燎原之勢般走進我們的生活…

光伏不孤獨了。近3年來中央能源主管部委每年共出臺約30多項激勵政策鼎力支持、國家電網積極服務歡迎接納電力家庭新成員、銀行金融保險也紛紛加入朝陽投資…

儘量告訴身邊的人，特別是孩子：「未來，你們還可以，這樣生活」。[8]
 

[1] 環保部環境公益項目「新能源產業(太陽能電池板)環境影響與管理研究」《Pollutant payback Time, Environmental Impact of Chinese Multi-Crystalline Photovoltaic Production based on Life Cycle Assessmen》MinghuiXie etc.2016

[2]中國數字科技館地球資源博覽館: 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]《光伏電站對格爾木荒漠地區太陽輻射場的影響研究》，高曉清、呂芳等，太陽能學報, 2015, 36(9):2160-2166

[5] 狄韶斌,譚金敬. 家用電器工頻電磁輻射水平分析[J]. 新疆環境保護. 2006(02http://www.chinabaike.com/article/292/293/2007/2007021945215.html

[6]科技部2013年光伏產業重大專題調研報告中國光伏，百年大計——關於推進戰略性新興產業光伏行業健康發展的建議，2013年6月，許洪華等

[7] 《中國太陽能發展路線圖2020，2030和2050》，中國可再生能源學會，2014年12月

[8] 《穹頂之下，還有光伏》，2015年3月，呂芳