太阳能电站光伏组件循环经济评估：沙特阿拉伯案例研究

《Sustainability》：Circular Economy Assessment of Photovoltaic Modules for Solar Plants: A Case Study in Saudi Arabia

　　

本研究提出了一种直接且详细的方法，用于计算太阳能电池板回收成本及相关经济效益。研究的贡献在于评估回收过程对能源成本及投资回收期的影响。研究人员采用全回收寿命末期光伏（FRELP）方法评估光伏回收过程。针对每1000千克太阳能电池板进行计算，并转换为每平方米电池板的成本与收入。计算显示，基于地理环境、燃料价格及回收过程中使用的各种材料，沙特阿拉伯的回收成本达到9.46美元/平方米，而根据回收过程中所得材料的当前价格（尤其是银价），收入约为24.6美元/平方米。研究结果应用于一座400兆瓦太阳能电站，以确定回收能源价格及投资回收期的可行性。该太阳能电站采用容量分别为255、330和580瓦的可变尺寸太阳能电池板进行设计。采用较小电池板的电站回收收入最高，年收益率为260万美元。

**论文解读：太阳能电站光伏组件循环经济评估——沙特阿拉伯案例研究**

**一、研究背景、问题与意义**

随着全球对清洁能源需求的日益增长，光伏系统作为重要的可再生能源技术，其装机容量持续扩大。然而，光伏组件在约25-30年寿命末期将产生大量废弃物。若不妥善处理，这些废弃物将造成严重的环境负担，如占用 landfill 空间、释放有毒物质等。因此，对废弃光伏组件进行回收利用，不仅具有环境效益，还能通过回收有价值的材料（如银、铝、玻璃、硅等）降低太阳能发电的整体成本。

当前，光伏组件回收的经济可行性受多种因素影响，包括回收地点、填埋场位置、运输成本、燃料价格及劳动力成本等。已有研究对机械、热、化学等回收方法进行了比较，但多为理论分析或针对特定区域（如欧洲、墨西哥）。沙特阿拉伯因其独特的地理优势（高太阳辐射、沙漠地貌、低燃料价格）和庞大的光伏装机规模（预计到2050年产生约60万吨光伏废弃物），具备开展光伏组件回收的潜在经济优势。然而，针对沙特阿拉伯的光伏组件回收成本、收益及其对电站能源价格和投资回收期影响的系统性研究尚属空白。

为此，研究人员开展了本研究，旨在提出一种简单且详细的光伏组件回收成本计算与收益评估方法，并以沙特阿拉伯利雅得地区一座400兆瓦太阳能电站为案例，分析回收过程对能源成本及投资回收期的影响。该研究论文发表于《Sustainability》期刊，为光伏回收的经济可行性评估提供了区域化实例，并强调了银价对回收收益的关键作用。

**二、主要关键技术方法**

研究采用全回收寿命末期光伏（FRELP）方法，该方法结合机械、热和化学过程，从废弃光伏组件中回收玻璃、铝、硅、银、铜及塑料等材料。研究人员首先通过文献调研和实际数据，确定了光伏组件的典型材料组成（玻璃65.8%、铝17.5%、塑料12.8%、硅2.9%、铜1%及其他）。接着，设计了一套分阶段成本计算模型，包括运输（C1）、卸载（C2）、拆解（C3）、化学回收（C4）、固体材料回收（C5）及排放处理（C6）成本，并基于沙特阿拉伯当地的地理环境、燃料价格、劳动力成本及材料市场价等参数，计算每1000千克太阳能电池板的总成本（TC）和总收入（Revenue），最终转换为每平方米（$/m2）的数值。案例研究基于PVSyst软件设计的400兆瓦并网太阳能电站，采用三种不同容量的光伏组件（255W、330W、580W），计算回收收益对电站度电成本及简单投资回收期的影响。样本队列来源为沙特阿拉伯利雅得地区。

**三、研究结果**

**3.1 运输成本 (Transportation Cost)**
研究通过计算发现，沙特阿拉伯因其沙漠地貌，可将电站与回收站、填埋场之间的距离控制在较小范围（总距离约400公里），且燃料价格低廉（0.447美元/升），最终运输成本仅为0.4美元/平方米。

**3.2 卸载成本 (Unloading Cost)**
卸载成本取决于吊装设备、场地可达性及劳动力工资。沙特阿拉伯地势平坦、劳动力成本较低，每块电池板卸载费用为2美元，折合0.75美元/平方米。

**3.3 拆解成本 (Dismantling Cost)**
采用机械拆解（FRELP方法）分离电池板组件，拆解速率为500千克/天，拆解成本为0.2美元/千克，折合2.5美元/平方米，占总成本的26%。

**3.4 化学回收成本 (Chemical Recycling Cost)**
通过焚烧固体材料产生灰分，再经化学处理（添加硝酸、氢氧化钙、水及电力）提取硅、银、铜。每1000千克电池板化学回收成本根据材料用量和当地价格计算，得出具体数值（见表1）。

**3.5 回收纯固体材料成本 (Recycling Pure Solid Materials)**
根据各材料在电池板中的质量占比及回收单价（表2），计算铝、玻璃、铜、塑料的回收成本，合计为0.59美元/平方米。

**3.6 回收排放成本 (Recycling Emissions Cost)**
回收过程（尤其热化学处理）和运输产生的排放（包括固体废物、废水、废气）需支付环境治理费用。排放成本包括回收排放（3.54美元/平方米）、运输排放（0.27美元/平方米）和填埋处理（0.063美元/平方米），总计4.17美元/平方米，占总成本的44%。

**3.7 总成本与收入**
将上述各项成本求和，得到沙特阿拉伯光伏组件回收总成本为9.46美元/平方米。收入方面，根据六种回收材料（铝、玻璃、铜、硅、银、塑料）的市场价格（表5）及含量，计算总收入为24.6美元/平方米。净收益为15.14美元/平方米。其中，银虽仅占电池板重量的0.5kg/1000kg，但其价格（80美元/盎司）贡献了总收入的63.46%，是决定回收经济性的关键因素。

**3.8 案例研究（400兆瓦电站）**
将回收收益应用于三种不同组件尺寸的400兆瓦电站：
- 255W组件：需要1,568,630块，总面积2,567,534平方米；
- 330W组件：需要1,212,123块，总面积2,081,981平方米；
- 580W组件：需要689,650块，总面积1,781,540平方米。

未考虑回收收益时，三种组件的度电成本分别为0.0487、0.0484、0.0477美元/千瓦时，简单投资回收期分别为6.27、6.15、5.88年。加入年均回收收益后，度电成本分别降至0.0457、0.0459、0.0457美元/千瓦时，回收期分别降至5.93、5.88、5.67年。值得注意的是，采用小尺寸组件（255W）的电站度电成本下降幅度最大，其年均回收收益最高（260万美元），这是由于小尺寸组件总面积更大，回收材料总量更多。

**四、讨论与结论**

**讨论部分总结：**
研究指出，回收成本与收益高度依赖地理位置、燃料价格、劳动力成本及材料市场价格。与2020年美国（净收益1.19美元/平方米）、2025年印度（负收益-1.86美元/平方米）及2020年中国（净收益0.13美元/平方米）的研究结果相比，沙特阿拉伯当前的高净收益（15.14美元/平方米）主要得益于其低运输成本、低燃料价格和银价上涨。敏感性分析表明，燃料价格变化30%仅使总成本变化约0.2美元/平方米，而银价变化30%会导致总收入变化约8.3美元/平方米，说明银价是影响回收经济性的最敏感因素。此外，利率变化对度电成本影响较小。

**研究结论翻译：**
在本研究中，研究人员计算了沙特阿拉伯一座太阳能电站寿命末期光伏电池的回收总成本、回收投资经济回报及其对能源价格和投资回收期的影响。研究人员研究了FRELP方法，该方法通过将电池板拆解为主要组件，并分别以机械、热或化学方式回收每个组件，从废弃光伏电池板中提取材料。回收过程分为连续阶段，从将电池板从太阳能电站运输至回收场开始，经过卸载、拆解，然后回收固体材料（如铝、玻璃、铜）并焚烧部分组件以提取重要材料（如硅和银）。通过计算每个阶段的成本并求和，得出回收总成本。成本以每1000千克太阳能电池板计算，然后通过转换因子转换为每平方米。结果表明，光伏组件寿命末期管理成本为9.46美元/平方米。在成本构成中，拆解和排放回收成本最高，分别为2.5美元/平方米和4.17美元/平方米。这凸显了采用更环保、使用较少有害化学品的方法的必要性。运输成本估计为0.40美元/平方米，这是基于沙特阿拉伯地理环境（太阳能电站与回收场、填埋场之间距离短）以及运输燃料价格低廉。研究人员计算出太阳能电池板回收收入达到24.6美元/平方米，这是由于当前银价高企，尽管银在电池板中占比很小，但仅银一项就占回收收入的63.4%。在扣除成本后，FRELP方法的净经济效益约为每平方米组件15.14美元。该值被认为较高，因为它依赖于沙特阿拉伯相对较低的地理环境、燃料价格和劳动力成本。该研究应用于利雅得设计的一座400兆瓦太阳能电站，采用不同尺寸的太阳能电池板（容量为255、330和580瓦的电池板）。采用较大电池板的电站度电成本最低，为0.0477美元/千瓦时，而采用较小电池板的电站回收收入最高，平均每年260万美元。结果显示，在加入回收收益后，三种电池板尺寸的能源价格趋同，分别达到0.0457、0.0459和0.0457美元/千瓦时，而之前为0.0477、0.0484和0.0487美元/千瓦时，且投资回收期从采用小电池板电站的6.27年缩短至5.93年。据研究人员所知，这是首个分析光伏电池板回收对太阳能电站能源价格和投资回收期影响的研究，也是首个计算沙特阿拉伯太阳能电池板回收成本的研究。未来工作将详细研究沙特阿拉伯废弃太阳能电池板回收的环境影响及经济影响。