屋顶光伏全生命周期运行节能及减碳技术

引言：

太阳能光伏发电凭借其资源丰富、技术成熟、部署灵活等显著优势，已成为实现“双碳”目标的关键路径之一。屋顶光伏系统，作为分布式光伏发电的核心形式，直接利用建筑物闲置屋顶空间进行发电，具备靠近负荷中心、减少输电损耗等价值。然而，在充分肯定屋顶光伏发电运行阶段“零排放”优势的同时，需意识到光伏系统的全生命周期均伴随着能源消耗和温室气体排放。因此在屋顶光伏系统全生命周期运行中寻找节能与减碳技术至关重要。

1 屋顶光伏全生命周期模型构建

1.1 项目概况

以某屋顶光伏建设项目为例展开研究，该项目光伏总装机容量约为346.15kW，共计划分为 3 个施工区域，使用 602 块单晶硅光伏组件进行建设，单块功率为 575W，光伏组件长度约为 2250mm ，宽约 1130mm 。其中 1# 区域使用16 块一串与 13 块一串方式串联 8 串光伏组件，直接与 50kW 三相逆变器进行连接，其具有四个最大功率点跟踪以及 12 串最大输入组串数，最大功率点跟踪输入短路电流约为 44.5A^[1] 。

2# 区域使用 16 块一串单晶硅光伏组件进行连接，共计使用 29 串，与三台110k 三相逆变器进行连接，具有 10 个最大功率点跟踪以及 20 串最大输入组串数，最大功率点跟踪输入短路电流约为40A。

3# 区域使用 12 块一串单晶硅光伏组件进行连接，共计接入 11 串，与 2 台40kW 三相逆变器进行连接，具有4 个最大功率点跟踪以及8 串最大输入组串数，最大功率点跟踪输入短路电流约为40A。

1.2 系统边界定义

根据该项目实际情况，对屋顶光伏全生命周期进行建模，定义系统边界，划分全生命周期阶段，基于 ISO 14040/44 标准，采用“从摇篮到坟墓”模型，将屋顶光伏系统划分为四个阶段，确保覆盖所有关键能耗与碳排放环节。上游生产阶段，包括原材料的开采与设备制造，将包括硅料提纯、电池片生产、组件封装以及逆变器生产等关键环节纳入到计算中，根据不同材料、技术操作等探究节能效果。在光伏组件生产结束后进入到中游阶段，需要将组件运输到施工现场并进行安装施工。根据该项目实施情况，包括组件从工厂至项目地的运输、吊装设备燃油消耗、电缆铺设与电气连接等均是产生能源消耗与碳排放的环节。

当屋顶光伏项目正式投入建设之后，下游阶段需根据光伏组件的运行使用年限展开 25 年的全周期运行维护，包括定期清洗、设备巡检与故障维修、逆变器更换等环节，平均 10 年就需要更换一次逆变器，并产生水、电能等消耗。终期为光伏组件的回收阶段，包括拆除光伏系统与材料回收等内容，除了在拆卸环节中可能会造成的人工与机械能耗之外，分类回收铝、玻璃与硅片材料时，不同技术应用造成的能耗与污染等有所不同。

1.3 核心参数设定

为支撑屋顶光伏全生命周期运行节能与减碳，需根据系统边界划分设定核心参数，如表1 所示。

表1 核心参数

2 全生命周期能耗与碳排放分析

2.1 各阶段贡献占比

根据上文中该屋顶光伏系统建设项目实际情况对各阶段内的能耗与碳排放贡献比进行分析计算。在包括组件与支架等材料生产环节内，该项目实际产生的能耗约为 215.3GJ，碳排放量约为 26.5×10⁴kg ，在项目全生命周期内的占比约为 75% ；运输安装环节的能耗相对较低，总计约为 15.6GJ，碳排放量约为 200k^[2] ，贡献占比约为 5% ；随后预测该项目在后续 25 年内运行维护产生的能耗与碳排放量，预计达到 25.1GJ 与 392.4kg ，占比约为 10‰ 。而对于回收阶段来讲相对较为特殊，由于在回收时因材料再利用而产生负值，根据这一项目预测，在回收阶段的能耗约为 -41.7GJ，碳排放量约为 -6.28×10⁴kg ，占比约

为 -10% 。

2.2 关键影响因素

根据这一项目实际情况分析对能耗与碳排量产生影响的关键因素，对比本次项目中生产光伏组件时与传统项目的差异通过改良西门子法代替流化床法进行创新应用，促使硅料纯度提升，并且缩短工艺流程，相较于传统方式降低30% 的碳足迹。该项目安装屋顶光伏组件时，采用倾角固定式代替平屋顶支架，提升光伏系统的光照覆盖面，经过计算分析提升 10% 左右的发电量。

3 运行阶段的节能与减碳技术核心

3.1 高效发电技术

当屋顶光伏系统正式投入运行之后，为形成良好的节能减碳效果，则应当应用高效发电技术。该项目通过应用双面组件与智能跟踪支架的方式，对比传统屋顶光伏系统的建设提升 15^～20% 的发电量并进一步缩短 EPBT。且在传统屋顶光伏系统建设中，由于受到逆变器体型影响存在遮挡，从而造成一定的能源损失，因此，本次项目建设采用逆变器与优化器，减少遮挡损失，提升系统效率至 95% 以上。

3.2 智能运维管理

为期 25 年的运维管理将造成持续性的能源消耗与碳排放，为形成更加高效的运维管理效果，该项目通过引进无人机自动巡查结合 AI 故障自动预警的方式，在光伏系统运行期间进行动态运维管理，有效降低约 30% 的人工运维成本支出并降低因停机造成的损失。随着前沿技术的应用，该项目适配光伏系统应用搭建数字孪生平台，实现发电预测与设备健康管理一体化，极大程度降低人工运维管理成本投入，实现全面节能降耗。

4 废弃回收阶段的碳减排

回收技术是影响屋顶光伏系统全生命周期运行节能与减碳的关键，随着近年来前沿技术的快速发展，采用物理化学联合回收处理。应用机械分离技术拆解光伏组件，将铝边框移除后使用粉碎机粉碎后振动筛分，经过静电分选与密度分选回收可用资源，这一回收方式能耗较低，处理每吨组件耗电 <150kWh 。基于物理法回收后的铝框架可实现 100% 回用， 90% 的玻璃可转化为建筑材料，并且通过涡电流分选增强促使铜、银等金属的回收率可达到 85^～92% 。中科院2023 年开发低温催化裂解法，促使化学回收反应温度降至 300^∘C [3]，酸用量减少 40% ，利用热解结合热酸浸提纯避免焚烧产生二氧化碳并降低重金属污染，全面降低回收成本与污染影响。

结束语：

在屋顶光伏系统广泛建设的过程中，促进清洁能源快速发展，但与此同时光伏系统的全生命周期运行节能与减碳也成为了重点，需要从光伏组件的生产、运输安全、运维管理以及回收四个阶段分别探究能耗问题并提出切实可行的节能减碳处理措施，确保在屋顶光伏系统运行中形成良好节能环保效果。

参考文献：

[1] 李正农 , 肖蓓 , 钟旻 , 等 . 基于流固耦合的屋顶柔性光伏系统颤振性

能研究 [J]. 太阳能学报 ,2025,46(06):614-622.

[2] 张科 , 刘亚丽 . 屋顶分布式光伏并网发电系统集成优化与效能提升研

究 [J]. 节能 ,2025,44(06):28-31.

[3] 李国辉 , 吕燕捷 , 陈曦 , 等 . 屋顶光伏全生命周期运行节能及减碳研

究——以旅游度假综合体项目为例 [J]. 暖通空调 ,2025,55(06):122-128+59.

作者一姓名：赵斌；性别：男；出生年月：1996 年11 月10 日；籍贯：河北省沧州市 民族汉族；最高学历：一本；目前职称：助理工程师；研究方向：能源技术