利益相关方对建筑环境中光伏产业循环经济的看法

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Stakeholder perspectives towards circular economy of photovoltaics in built environment

　　

引言

在过去的几十年里，由于光伏组件价格大幅下降（2000年为每瓦29美元，2024年降至每瓦0.26美元[1]），太阳能得到了迅速的发展。这一发展使得太阳能成为应用最广泛的可再生能源之一[2]。国际能源署的报告显示，2023年的能源产量增长了25%，其中光伏发电总量超过了1600太瓦时[3]。如今，太阳能已在包括北欧国家在内的许多地区得到广泛应用。自2019年以来，欧盟的太阳能市场呈现指数级增长，超出了此前的预测。在这一不断扩大的市场中，光伏技术在绿色能源转型中发挥着重要作用。光伏的装机容量从2020年的135吉瓦增加到了2022年的200吉瓦以上，增幅超过了50%[4]。预计到2030年，光伏的总装机容量将超过7太瓦，这使其成为实现COP28目标的关键推动力量[5]。2024年，太阳能发电量最高的国家和地区分别是中国（834太瓦时）、美国（303太瓦时）和印度（134太瓦时）。在欧盟内部，德国（71太瓦时）、西班牙（59太瓦时）和意大利（36太瓦时）的光伏发电量位居前列[6]。

在很多地方，不同时期都实现了电网平价，即用光伏发电的成本与从电网购电的成本相当。影响电网平价的主要因素包括可发电量（受当地日照条件影响）以及当地的电价。正如预期的那样，由于高纬度导致日照条件较差，再加上芬兰的电价是欧洲最低的之一，因此它是太阳能应用的晚起步国家[7]。不过，芬兰的光伏发展速度依然可观，2018年新安装的光伏容量略高于100兆瓦，而到2025年这一数字已上升至352兆瓦。在2022年至2024年间，光伏装机容量从大约15兆瓦增长到了120兆瓦[8]。至于小型光伏系统，其在2021年至2024年间的装机容量从390兆瓦增加到了1097兆瓦[9]。在芬兰，大型光伏系统的临界容量标准为1兆瓦以上[10]。漫长的夏季使得芬兰南部的年发电量与德国北部相当。在像芬兰这样的高纬度地区，由于太阳高度角较低，因此在建筑外立面安装光伏比在靠近赤道的地方更高效。此外，高纬度地区还可以利用一些创新方式来利用太阳能，比如将绿色屋顶与垂直双面光伏结合使用[11]，或者使用单电池垂直双面光伏[12]。在本研究进行时，芬兰大部分的光伏装机容量来自非大型系统[8,9]。另外，欧盟的规定要求在公共建筑中融入太阳能技术，这也促进了建筑环境中光伏技术的普及[13]。在各种可再生能源中，2022年太阳能获得的政府资助增幅最大[14]。增加可再生能源的比例以及提升能源韧性是芬兰当前重要的能源政策之一。选择芬兰的光伏生态系统作为案例研究，是因为目前大多数光伏系统都是小型系统[8,9]，且主要安装在建筑物上[15]。因此，针对建筑环境中的光伏系统实施循环经济战略具有非常重要的意义。随着太阳能的快速普及，光伏系统寿命终结后的处理问题也日益受到重视，被视为未来面临的重要挑战。根据国际可再生能源机构及IEA-PVPS的预测报告，到2030年，寿命终结的光伏废物量预计将达到170万至800万吨，而到2050年这一数字还将上升至6000万至7800万吨[16]。寿命终结的光伏废物可能会引发各种环境问题，因此需在问题恶化之前采取积极措施加以解决。硅料的生产能耗、光伏系统中关键金属的使用，以及对不可再生材料的过度依赖，都是与寿命终结的光伏废物相关的潜在未来挑战[17]。

太阳能领域的专家和研究人员一直倡导建立光伏面板的循环经济模式。循环经济的原则遵循一定的优先级顺序，即首先预防，其次减少，再者重复利用，接着是材料回收，然后是能量回收，最后才是最终处置。寿命终结的光伏废物问题已被视为实现可持续发展的新兴挑战，因此相关研究文献也在不断增加。然而，这一领域仍存在知识缺口：虽然大多数关于寿命终结光伏废物的研究都集中在回收方面，但其他循环经济策略则较少被探讨[18]。Majewski等人指出了重复利用光伏面板所面临的挑战[19]，这些挑战源于不同类型的退化现象，它们会影响光伏组件的不同部分。虽然退化后的面板仍可正常工作，但其效率会降低。退化的类型和程度取决于地理位置和气候条件[20]。如果面板退化严重到无法重复利用，那么就需要对其中的组件或材料进行回收，进而用于制造新的光伏产品或其他物品。从环保角度而言，回收寿命终结的光伏废物也能有助于推动其循环经济的发展。与填埋处理相比，回收这类废物所产生的温室气体排放量更低[21,22]。此外，使用回收材料制造的光伏产品，其对环境的影响也小于完全使用原始材料制造的产品[[21], [22], [23]]。在光伏面板的生产过程中，所选用的材料和设计方案都会影响到回收的难易程度和技术可行性[24,25]，这也凸显了尽早解决寿命终结光伏废物问题的重要性。

光伏产品的多样性也为其寿命终结后的处理带来了额外挑战。安装在建筑物上的光伏系统大致可分为建筑应用型光伏和建筑集成型光伏两种。建筑应用型光伏是指外部安装在建筑物上的光伏技术，而建筑集成型光伏则作为建筑材料使用[26]。图1展示了建筑应用型光伏和建筑集成型光伏的示例。不同公司生产的光伏产品之间存在较大的材料差异，尤其是建筑集成型光伏产品。Shukla等人对建筑集成型光伏进行了综述，其中分析了市场上现有的各类产品[29]。该研究共涵盖了40多种产品，这些产品安装在不同类型的建筑物中，所采用的光伏技术也各不相同，且它们的重量和尺寸也存在差异[29]。除了上述问题之外，建筑集成型光伏的寿命终结处理还面临着其他挑战，比如定制化的建筑集成型光伏组件较难更换，而且相关处理行业在处理这类产品方面经验不足[30]。与普通太阳能发电站相比，建筑集成型光伏系统拥有更为复杂的所有权结构，这给废物管理和循环经济策略的制定带来了困难。Bankel和Mignon的研究展示了太阳能产业在商业模式上的多样性[31]。他们指出，不同的太阳能企业在其供应链中的运作方式有所不同，而光伏应用的规模——无论是住宅规模还是大型商业规模——也是对太阳能企业进行分类的依据之一[31]。因此，建筑上应用的光伏系统在实现循环经济方面所面临的挑战和障碍可能不同于大型商业光伏系统。需要指出的是，目前芬兰的光伏应用主要集中在建筑物上，因此预计这类光伏系统的寿命终结处理也会最早出现。从全球范围来看，关于建筑环境中寿命终结的光伏废物问题，目前还存在很大的知识空白。由于参与建筑规模光伏项目的相关方与参与大型商业光伏项目的相关方不同，因此影响循环经济发展的因素也可能存在差异。所以，开展循环经济研究时应当区分这两种不同规模的光伏系统，这也凸显了本研究的重要性。

本研究从闭环视角出发，探讨了芬兰光伏产业的供应链问题。其目的是找出影响建筑物上光伏系统寿命终结处理的各种因素，并识别将循环经济理念引入这类光伏系统所面临的挑战与机遇。为了实现这些目标，本研究综合了相关利益方访谈的结果以及现有文献资料。在循环经济战略的成功实施过程中，各个利益方都发挥着至关重要的作用，其中包括光伏供应链中的经销商/安装商以及消费者/用户[32]。

章节节选

研究方法

本研究是一项探索性的定性案例研究。它旨在结合现有的国际研究成果，呈现芬兰光伏领域各方利益方对于构建光伏循环经济的看法。与Besiou和Wassenhove的研究类似[33]，本研究主要采用了对光伏供应链中相关专家的半结构化访谈作为研究方法。研究者为这些访谈准备了问题清单，以此作为引导，围绕特定的光伏相关主题展开讨论。

结果与讨论

本研究的结果与讨论按以下顺序组织：1. 访谈结果；2. 芬兰光伏系统寿命终结处理的预测情况；3. 相关文献综述。

结论

在本研究中，我们采访了芬兰光伏供应链中的多个参与者，同时还进行了相关的文献综述，以探讨在实施循环经济战略过程中所面临的挑战与机遇。研究结果表明，寿命终结的光伏废物数量是影响光伏废物回收以及二次利用光伏产品商业化发展的关键因素。这一挑战并非仅存在于建筑环境中的光伏系统，大型商业光伏系统也同样面临这一问题。除此之外，

声明

在撰写本论文的过程中，作者们使用了Aalto AI Assistant/GPT4o工具来进行语法检查。在使用该工具之后，作者们对内容进行了必要的审核和修改，并对最终发表的文章内容负全责。

资金支持

我们感谢芬兰研究委员会提供的资金支持（项目名称为ECOSOL，项目编号为34275、34276和347277）。

作者贡献说明

Bergpob Viriyaroj：概念构建、数据整理、正式分析、研究调查、方法设计、结果可视化、初稿撰写、文章修订与润色。Mansi Garg：正式分析、初稿撰写、文章修订与润色。?imon Jech：结果可视化、初稿撰写。Aapo Poskela：结果可视化、初稿撰写。Matti J?nk?l?：概念构建、数据整理、方法设计。Sonja ??ril?：数据整理。Elena Akulenko：数据整理。Annukka

利益冲突声明

作者们声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

我们要感谢所有接受我们访谈的人士。本文的内容由作者们负责。

Bergpob Viriyaroj|Mansi Garg|?imon Jech|Aapo Poskela|Matti J?nk?l?|Sonja ??ril?|Elena Akulenko|Annukka Santasalo-Aarnio|Kati Miettunen

芬兰阿尔托大学建筑系