文摘

在盘管套片式吸收器通常推荐平板光伏/热(PV / T)收集器设计的简单和有前途的性能,使用rectangular-channel吸收器测试也是一个不错的选择。在新能源技术,如PV / T,完全实现,其环境优势竞争选项应该评估,例如,通过评估其消费水平在其生产和使用寿命。尽管有大量的环境生命周期评估在国内太阳能热水系统和光伏系统,相关工作在混合太阳能PV / T系统已经很少。到目前为止没有报道工作的评估PV / T收集器与槽式吸收器设计。本文报告一个评估的能量回报时间和独立式的温室气体回报时间和建筑在香港PV / T系统。这是基于两个案例研究的PV / T收藏家与模块化的铝槽式吸收器。结果确认的长期环境效益PV / T的应用程序。

1。介绍

光伏/热(PV / T)系统是一种结合光伏(PV)和太阳能热设备生成电力和热能从一个集成系统。与太阳能电池(部分)的热吸收器、混合设计能够最大限度的能量输出分配空间留给太阳能应用。空气和/或水可以作为取热流体(s)降低太阳能电池工作温度,提高电力转换效率。比较,水型产品设计提供了更有效的冷却比气动式同行,因为良好的热性能。那些平板收集器满足低温热水系统的要求。也是理想的预热的目的当热水温度较高。

盘管套片式吸收器是一个常见的特性在平板收藏家,rectangular-channel吸收器的使用也被广泛研究[1- - - - - -3]。铝制water-in-channel-type PV / T收集器设计推荐的作家,与原型测试良好的自立式和建筑方式下(4,5]。通过采用通道吸收器设计、低翅片效率的潜在问题很容易提高。基于热虹吸器工作原理、地理依赖收集器性能发现,在温暖的气候区工作。在亚太地区,大多数大城市都由空调建筑空间冷却要求很高。暴露在这些建筑,外墙为适应建筑集成系统提供很好的机会,因此,BiPV / T。当太阳辐射的一部分落在建筑立面直接转化为有用的热能和电力、太阳能的部分通过外部立面减少传播。因此,减少冷负荷的空间。通过动态仿真与实验验证系统的使用模型和典型气象年香港(TMY)数据的成本回报时间(CPBT)的独立和建筑PV / T系统被发现12.1和13.8年,分别是(6,7]。被评估,分别在他们最好的倾斜和垂直收集器职位最大化他们的系统输出。预计这些CPBT将逐渐缩短的光伏技术进步的发展。摘要环境生命周期分析(LCA)等混合太阳能系统应用在香港报道。

2。环境生命周期分析

LCA技术评估与开发产品相关的各个方面及其潜在影响一个产品的整个生命周期(8]。新能源技术是完全实现之前,可以断言环境优势竞争选项通过评估其消费水平(如成本投资、能源使用和温室气体排放)在其整个生产和使用寿命。在经济分析中,一个简化的方法是忽略元素所以成本回报时间(CPBT)可以使用。这是通过添加在一起连续年,直到累积的现金流入现金流入等于所需的投资。类比的经济评价、环境成本效益两个参数,能量回报时间(EPBT)和温室气体的回报(GPBT),可以用来评估时期之后,真正的环境效益开始(9]。EPBT周期,一个系统必须在操作为了节约一次能源的数量已经在生产,系统的操作和维护。是蕴藏能量的比例每年净能量输出。在BiPV / T系统中,例如, 在哪里,和分别是PV / T的蕴藏能量收集器,平衡系统(BOS)和取代的建筑材料;是一年一度的有用的发电量,一年一度的有用得热量(等价)一年一度的节电的暖通空调系统由于空间热负荷减少,和是一年一度的电力消耗的系统操作和维护活动。和可以省略free-stand PV / T系统评估。因此, 同样,在温室气体(GHG)排放,BiPV / T 在哪里代表体现温室气体(或二氧化碳当量)排放年度温室气体排放的减少从当地电厂由于BiPV / T操作。free-stand系统, 因此EPBT和GPBT功能相关的能源系统性能及其环境影响,如电力,建筑系统,本地及海外的制造、运输和现场处理PV / T收集器系统作为一个整体。

3所示。铝Rectangular-Channel PV / T系统

铝的剖视图rectangular-channel PV / T收集器由作者如图1。它由以下层:(i)面前低铁玻璃盖,(ii)晶体硅(同单晶硅光伏封装、(3)金属热吸收器由挤压铝、(iv)与玻璃棉隔热层,和(v)使用钢板。光伏封装包括TPT (tedlar-polyester-tedlar)和EVA(乙烯-醋酸乙烯)层两边的太阳能电池。rectangular-channel设计强化传热和结构耐久性。

在free-stand热虹吸系统PV / T收集器有水箱通过互相交结与自然水循环管道。图2显示了外部视图。较低的水进入收集器通过上面的标题头和树叶。表1列出的技术数据为free-stand应用PV / T收集器。

BiPV / T系统,另一方面,是由一个数组的PV / T收藏家集成空调建筑的外墙。参见图3供参考。水箱位于屋顶和水循环再次通过热对流系统。表2列出了BiPV / T墙系统的技术数据在我们的研究中。

4所示。回顾之前的工作平板集热器系统

4.1。太阳能热水系统

LCA作品在国内太阳能热水器(DSHW)系统在多数来自欧盟国家(10- - - - - -13]。streich et al。10)评估的EPBT太阳能热系统通过将系统划分为组件。累计获得的能源需求增加主要组件的重量与各自的累积能源需求值。他们估计在德国DSHW系统EPBT从1.3到2.3年。在他们的研究中,建设信用给收集器系统集成roof-mounting模式。这是储蓄的建筑材料、交通和建筑作品。收集器本身占总数的89%和85%体现能量roof-integrated和开放林系统,分别。Tsilingiridis et al。11)发现,在希腊使用的材料,包括钢铁和铜,有重大贡献的环境影响。云et al。12)发现,在意大利的间接排放(相关生产的原材料)约80 - 90%的总温室气体释放。Kalogirou [13]在热虹吸DSHW系统在塞浦路斯。系统热性能的评估是动态模拟程序。LCA确定77%的蕴藏能量收集器面板,钢架,15%去管道5%,其余的占总数的不到3%。可以节省大量的温室气体。EPBT估计约1.1年。

在欧洲之外,克劳福德等的研究。14在澳大利亚]表明,尽管CPBT DSHW系统可以十年或者更多,相应的GPBT只能2.5 - 5年左右。在他们的研究中,60公斤的转换因子情商/ GJ被用来确定温室气体排放累积能量的整个系统。Arif [15]在印度DSHW系统的环境绩效评估。根据100年litre-per-day和稳定的全年使用,EPBT估计1.6 - -2.6年,根据当地的气候和收集器使用的材料。在LCA的挂等工作。16)美国在一系列太阳能热水系统;动态热模拟再次应用。

4.2。光伏系统

在过去的几十年里,大量的作品都有生命周期性能free-stand和建筑光伏系统的礼仪。EPBT的估计和GPBT继续修改由于光伏技术的进步。

生产的光伏模块包括以下过程:(我)硅净化和处理,(2)硅锭切片(3)光伏模块制造。

硅是先融化,制造成metallurgical-grade硅(MG-Si),然后进入电子硅(EG-Si)通过Siemen的过程或加工成太阳能级硅(SoG-Si)通过改良西门子过程17]。后最后,直拉法(sc-Si)或其他生产工艺,硅是太阳能电池生产可用。硅锭需要切成薄片。细胞生产的技术包括蚀刻、掺杂、丝网印刷和涂层。太阳能电池测试,包装,与其他组件互连形成光伏模块。

Alsema [18)研究了EPBT和发电光伏系统的温室气体排放。sc-Si累积能源需求和mc-Si无框架模块被评估为5700年和4200年乔丹/ m²。进一步指出,新的制造技术的实现,上述数据可能低至3200年和2600年乔丹/ m²。后来,Alsema et al。19,20.回顾了重要选项,可用于进一步减少能源消耗和环境影响光伏模块的生产过程。至于BOS, Alsema和Nieuwlaar21)提出,由于使用铝支撑结构越少,装配PV系统的能源要求数组支持约1800 MJ / m²,但这可能只有700 MJ / m²屋顶安装;因此,屋顶系统应该比装配系统更好的EPBT减排潜力。

梅森et al。22]研究了能源BOS内容组件用于3.5 MWp mc-Si光伏工厂。通过集成和支持光伏模块的重量,BOS组件的具体能源被发现低至542 MJ / m²从先前的估计——急剧下降。Fthenakis和金23)表明,在日本sc-Si光伏模块的初级能源需求的范围4160 - 15520 MJ / m²,光伏系统的生命周期温室气体排放在美国从22到49克情商/千瓦时_e。

在新加坡,Kannan等人研究了2.7成为朝鲜劳动党sc-Si分布式光伏系统模块(24]。具体能源消耗光伏模块和逆变器估计16和0.17兆瓦时_e/分别成为朝鲜劳动党。太阳能光伏模块的制造业占81%的生命周期能源使用。铝支撑结构约占10%,回收铝占7%。EPBT估计为6.74年。据说,这个可以减少到3.5岁如果主能源使用PV模块生产减少50%。

在印度,纳瓦兹和女子25)计算EPBT通过评估能源要求制造sc-Si光伏系统与BOS空旷的田野和屋顶条件。缓解有限公司₂在宏观的排放(一生的电池和光伏系统都是相同的)和微程序级光伏系统也被研究过。为1米²sc-Si光伏系统,他们估计给出具体能源666千瓦时的硅净化和处理,为细胞制造120千瓦时,为随后的光伏模块生产190千瓦时。因此没有猜错,蕴藏能量估计976千瓦时/ m²和温室气体排放27.23公斤/米²。

在香港路和杨26)调查了EPBT和一个安装22千瓦GPBT BiPV系统。发现71%的能源总体上体现的具体能源光伏模块,而剩余的29%是来自BOS的具体能源。光伏系统的EPBT然后计算为7.3年。考虑当地的发电厂的燃料混合物组成,相应的GPBT 5.2年。进一步,它是预测的一系列EPBT BiPV安装在香港从7.1年(最优取向)20年(面向西方垂直立面)。

Bankier和大风27]给回顾EPBT屋顶安装光伏系统在10年期间(1996 - 2005)。一个大范围的差异。他们指出,限制来自评估的准确性决定现实的能量转换的困难因素,人类劳动和决定现实的能源值。根据他们的估计,适当的范围的EPBT mc-Si光伏模块的安装应该在2 - 8年。最近的一个评论是由Sherwani et al。28]。sc-Si EPBT, mc-Si,晶硅光伏系统估计的范围3.2 - -15.5,1.5 - -5.7,-3.2和2.5,分别多年。同样,温室气体排放是44 - 280,-104 - 9.4,-50 - 15.6 g情商/千瓦时。

4.3。PV / T系统

虽然有很多研究EPBT和GPBT太阳能热光伏系统,我们的文献综述表明,那些在PV / T系统已经很少。特别是,到目前为止没有报道工作的评估PV / T收藏家与槽式吸收器的设计。

Battisti和柯拉29日)使传统的评估基于mc-Si建筑系统位于罗马,意大利。一个实验性的PV / T系统和热回收DSHW检查应用程序。评估是为替代热回收取代天然气或电力。他们的结果给EPBT和GPBT PV系统3.3和4.1年。另一方面,PV / T系统设计的天然气替代2.3和2.4年。

还在意大利,Tripanagnostopoulos et al。30.)的能源和环境绩效评估修改3成为朝鲜劳动党mc-Si PV和实验水冷PV / T盘管套片式收集器系统设计horizontal-roof (free-stand)和tilted-roof(构建集成)安装。应用程序利用釉面无光的PV / T / p - v选项通过更好的LCA的表演了。的EPBT PV和BiPV系统被发现是2.9和3.2年,而GPBT分别2.7和3.1年。PV / T系统35°C操作温度的EPBT PV / T和BiPV / T选项都是1.6年,而GPBT分别为1.9和2.0年。研究表明,几乎整个的环境影响是由于光伏模块生产、铝零件(反射镜和heat-recovery-unit)以及铜部件(heat-recovery-unit和液压回路),几乎没有重大贡献的其他系统组件,如结构或电子/电气设备的支持。处理阶段的贡献几乎可以忽略不计。

Dubey和女子31日)进行了环境影响分析的混合PV / T太阳能热水器在印度德里气候使用。釉盘管套片式平板收集器系统用于泵操作,发现EPBT 1.3年。

5。环境的分析铝Rectangular-ChannelPV / T系统

5.1。EPBT Free-Stand系统

熟练的叠层太阳能电池在热吸收层的伊娃和TPT PV / T收集器需要生产。铝热吸收器部分提供原材料开采和提取、锭融化,机械挤压加工,组装成整块。主要部件的生产和装配过程包括挡风玻璃(低铁),PV-laminated吸收器、绝缘材料和铝框架。供应来自中国大陆。至于BOS,电气BOS组件包括逆变器、电名和电子设备。机械BOS包括贮水箱,管道工程,支护结构,及配件。LCA的具体能源被认为是包括上述生产过程中,加上相关的需要从工厂运输到安装现场,施工和测试、拆除和处置,以及任何其他临终能源需求。

表3总结了材料和累积能量free-stand PV / T收集器的系统。sc-Si光伏模块的累积能源强度估计为976千瓦时/ m²,使引用(25,26]。逆变器和电气部分的拍摄,因为5%的光伏模块。累积能源强度的其他值MJ /单位获得香港政府署(机电服务部)数据库涵盖了特定单位数量()影响档案材料由于消费的“Cradle-to-As-built”阶段(32]。总累积能量出现3041.8千瓦时或1728千瓦时/ m²对于这个free-stand系统。表4显示在这里蕴藏能量的分布。可以看出,混合PV / T收集器本身占大约80%的体现能量。BOS,水箱占11.4%,其他机械部件占7%,而电器配件仅占1.8%。和分别是2429和613千瓦时。

安装PV / T系统,两种节能涉及:对水的热能加热和电能。这将是没有空调的储蓄。热节能2650 MJ /年和473 MJ /年给出的节电和一个736千瓦时/年398千瓦时/年。在计算,heat-to-electricity 0.33已经使用的转换因子。主要是劳动力成本被认为是。这是大约41千瓦时/年,因此不显著。(2),发现EPBT 2.8年。这比预期的12.1年CPBT短报道在我们以前的工作(6]。假设的工作生活PV / T系统类似于PV系统,也就是说,一般15 - 30年(29日),那么可以断定EPBT在这个案例研究中一个数量级低于其预期使用寿命。

5.2。BiPV / T系统

表5总结了材料和累积能量在9.66 m²BiPV / T的情况。因此,的值和分别是11258和1328千瓦时。估计为594千瓦时,使参考streich等的工作。10的生活),调整后的成本。建筑材料替代的优势,累积能源强度降低到1241千瓦时/ m²。这个BiPV / T的体现能量分布系统也在桌子上4。可以看出,这个建筑综合案例部分收集器增加到89%。BOS,水箱占4.9%,管道和支持组件占3.8%,电子组件保持在低于2%。

安装这个BiPVW系统,每年节约能源包括以下:(我)热能:2258千瓦时();(2)电能:323千瓦时;(3)空间冷负荷:206千瓦时。

3.0通过警察的空调装置,和分别是979和208千瓦时/年。在这种情况下估计是246千瓦时/年,。由(1),EPBT 3.8年,这比其CPBT短13.8年。更长一段的EPBT BiPV / T比free-stand情况主要是因为其垂直收集器的位置比最好的倾斜角度,以及收藏家的差异大小和太阳能电池包装的因素。更短的EPBT预计如果ms-Si电池模块用于分析由于在生产过程中降低能源消耗。事实上,这种悬挂BiPV / T 3.8年是有利而7.1年(26)一个optimal-oriented屋顶BiPV系统在香港。

5.3。温室气体排放分析

在我们的分析中,热节能作为一个拯救城镇天然气消耗的建筑。电气节能作为一个保存在购买电力公用事业。根据香港政府提供的数据,全港的温室气体排放因子来自效用发电有限公司是0.7公斤₂情商/千瓦时_e包括输电损耗(33]。至于民用燃气,CO的排放因素₂,CH₄和N₂O分别是2.815公斤/单位,0.0446和0.0099 g / g /单元,1单位的城镇天然气相当于48 MJ消耗。对于free-stand的情况,以上资料提供每年285公斤的减少温室气体排放有限公司₂情商。PV / T系统本身不会产生污染排放在日常操作。在这些天中,大多数产品的制造业活动在香港消费发生在大陆,中国的排放系数可以用于我们的体现温室气体的评估。在中国,发电的主要能源消耗为12.01 MJ /千瓦时_e和有限公司₂火力发电厂排放速度是24.7克有限公司₂情商/乔丹[34),PV / T收集器的体现温室气体强度在本例中是0.297公斤情商/千瓦时累积能量。当地排放因子用于BOS部分从当地收购。因此,(4)这个近似给出了3.2年的GPBT free-stand系统。

同样,BiPVT系统节约空调能源转换为基于系统节电警察(性能)系数为3.0。(3)这让GPBT 4.0年。结果是再次低于先前估计的5.2年GPBT BiPV系统的一般性能(在香港26]。

出于完整性的考虑,表6显示了技术数据的评价CPBT。与free-stand PV / T的情况相比,BiPV / T系统有一个单位收集器面积的基础上降低投资成本。这是因为一方面有建筑材料保存和没有要求的钢站至关重要的tilt-mounting free-stand PV / T收集器。另一方面,它是由规模经济受益的大规模处理的系统组件。在操作过程中,垂直收集器的位置BiPV / T系统使它不利的全年太阳辐射的数量由收集器表面接收。与此同时,会有更大的传输损耗一个集中的能源系统。仿真结果表明,该年度有用热量收益free-stand和建筑综合病例418千瓦时/ m²和233千瓦时/ m²单位玻璃面积的基础上,分别。和收益是118千瓦时的电能/ m²和66.4千瓦时/ m²在光伏电池单位面积的基础上。这些出来的CPBT free-stand案例12.1年和13.8年建设综合情况。

我们上面的结果通常是符合由其他研究人员根据他们自己的估计收集器设计和本地应用程序。然而,应该注意的是,上面的图片不是静态的。预计的持续改进材料和能源利用和回收将会改变当前的环境概要文件。另一方面,发展太阳能电池的性能也将导致更好的EPBT和GPBT。

6。结论

环境生命周期评估已经完成评估能源和环境概要文件的两例PV / T系统应用在香港。在这两种情况下,铝rectangular-channel吸收器与sc-Si光伏封装在single-glazed采用平板PV / T收集器的设计。在我们的分析中,累积能量输入和体现温室气体排放建立了测定方法和技术数据参考报告研究工作以及当地政府出版物。一年一度的热能和电能输出结果的动态仿真基于香港TMY数据集和PV / T系统模型进行验证。我们的估计表明,EPBT free-stand PV / T系统的最佳角度的倾斜大约是2.8年,这是一个数量级低于预期的系统使用寿命。悬挂BiPV / T的情况下,这个是3.8年的一般性能大大优于屋顶BiPV系统在香港。相应的GPBT 3.2和4.0年的结果证明该PV / T选项的环境优势超过其他竞争的可再生能源系统。

承认

本文中描述的工作是支持的研究资助委员会的资助香港特别行政区,中国(项目号CityU112009)。