生命周期评估聚光光伏发电对环境的影响分析.docx

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1、生命周期评估聚光光伏发电对环境的影响分析摘要：传统光伏发电系统代表了可再生能源领域市场的主导部分。现代技术提供了改进太阳能转换系统的可能性,特别是模块的效率。本文重点介绍了当前的聚光光伏(CPV)技术，展示了在实验室条件和真实环境中工作的太阳能电池和模块的数据。在本文中，我们考虑了两种聚光光伏系统的最新解决方案：高聚光光伏(HCPV)和低聚光光伏(LCPV)OCPV太阳能组件的现状得到了新混合光伏技术取得效率记录的初步成果的补充。与传统的Si-PV组件相比，CPV模块由于应用了聚光光学器件而实现了更高的转换效率。具体的CPV技术在效率、多结太阳能电池的新方法、跟踪系统和耐用性方面进行了描述。分

2、析结果证明了CPV模块领域的密集发展以及实现创纪录系统效率的潜力。本文还介绍了通过生命周期评估(LCA)分析和可能的废物管理方案来确定CPV在整个生命周期中的环境影响的方法。环境绩效通常根据标准指标进行评估，例如能源回收时间、二氧化碳排放量。关键词：光伏；聚光光伏CPV；生命周期评估LCA；生命周期结束时的CPV1. 概述有限的化石燃料资源与日益增长的能源消耗是不匹配的。为满足世界tl益增长的需求，必须转变全球能源供应体系。在当今社会，可再生能源在能源市场中变得越来越普遍。尽管减少环境污染是一个关键驱动因素，但能源转型带来了广泛的其他好处(例如健康、经济和技术)。目前，太阳能的潜力在光伏(PV

3、)技术中得到了有效的利用，将太阳辐射直接转化为电能。第二种太阳能发电系统是以间接方式发电,首先将太阳能转化为热能。在这项技术中，指的是聚光太阳能(CSP),聚焦在光学收集器上的阳光是驱动发电机的热量来源。为了消除缺点并突出太阳能系统的优点，聚光光伏(CPV)作为一种混合技术已经发展起来。与传统的光伏系统相比，CPV在太阳能发电市场上仍然是一个年轻且规模较小的参与者，研究工作和运营装机量相对较少。CPV系统提高了太阳能的利用率和效率，接近40%,这是以前的系统无法提供的。此外，CPV通过用镜子或透镜代替传统PV系统中使用的昂贵材料来节省成本。环境方面是太阳能管理的关键挑战之一。尽管光伏技术被认为

4、是一种环境友好型技术，但越来越多的太阳能电池板处于报废阶段，这引发了人们对进一步积累为废物的担忧。根据国际可再生能源机构(IRENA)发布的一份报告，到2050年,全球光伏组件废料的价值可能高达60-7800万吨。因此，我们的目标是争取技术，以尽量减少产品在其生命周期的所有阶段对环境的影响，特别是在这种影响最大的阶段。生命周期评估(LCA)现在是一种标准化工具，用于评估光伏技术从摇篮到坟墓的环境影响。执行LCA的过程在两个国际标准中有所描述：IS014040和IS014044。根据规范，LCA的以下步骤是指：目标定义和范围界定、清单分析、影响评估和结果解释。一个重要的步骤是收集包含在生命周期清

5、单(LCI)中的输入和输出数据。清单分析是确定LCA准确性的一个步骤，其中所有材料和能量流，以及在整个生命周期中释放到环境中的所有废物都被识别和量化。大多数数据应从制造商处收集以确保结果可靠,但也经常使用可用的数据库和专家估计。太阳能模块的环境概况是LCA的结果，它可以评估和比较不同的技术。LCA可以将定量结果表示为不同的指标，例如能源回收时间(EPBT)或温室气体排放。大多数LCA分析涉及传统的平板PV,例如；然而，由于聚光光伏技术的快速发展，CPV技术对环境的影响已成为广泛研究的课题。本文介绍了在真实和实验室测试条件下工作的CPV技术的现状，强调了基于LCA方法的单个技术的市场价值和环境影

6、响。2. CPV技术的历史回顾与发展CPV的关键原理是使用聚光光学器件，减小电池面积，从而允许使用更昂贵、高效的电池，并可能与普通电池竞争的平准化电力成本(LCOE)板光伏技术在某些阳光充足的地区具有高直接法向辐照度(DNI)oCPV在DNI值超过2000kWh(m2a)的阳光充足地区的发电中最受关注。系统根据技术配置的集中系数进行区分。CPV的两个主要部分，由浓度因子区分：浓度因子为30-40的低浓度PV(LCPV)和浓度大于300的高浓度PV(HCPV)oLCPV设计使用硅或薄膜PV电池方法和具有单轴跟踪的线性聚光光学器件。后者需要更高的效率并且更昂贵，尽管使用相同的多结电池，在运行期间可

7、能需要冷却。HCPV利用了两轴太阳跟踪系统。在过去的几年里，价格和效率一直是开发CPV技术方法的主要驱动力。起源可以追溯到I960年代，当时EugeneL.Ralph发表了集中阳光的概念，并在硅电池上展示了锥形反射器。桑迪亚国家实验室提出了第一个基于镜头的系统。基于这个项目，MartinMarietta公司在沙特阿拉伯(35OkW)和亚利桑那州(225kW)安装了菲涅耳透镜CPV系统。为了满足对与聚光光学器件兼容的适当太阳能电池的需求,开发了先进的Si和多结太阳能电池(MJSC)。首先，部署了双结太阳能电池(例如，GalnP/GaAs),然后它们成为现代三结电池(GalnPGaAsGe)的基础

8、。2001年，Amonix(现为ArzonSolar)在亚利桑那州的格伦代尔机场安装了第一台商用HCPVo最早之一聚光模块技术是由圣彼得堡IOffe研究所和弗赖堡(德国)的FraUnhOfer研究所开发的FLATCON。在FLATCON技术中，太阳辐射由玻璃上硅(SoG)菲涅耳透镜集中并集中在高效多结太阳能电池上。多年来，这项技术主要通过调整电池和透镜设计得到改进，最终提高了模块效率。2015年之前安装的大部分技术都为具有双轴跟踪和基于III-V半导体的MJSC的HCPVo如今,与传统光伏系统相比，CPV市场仍然很小，仅占光伏总部署的0.1虬尽管没有任何单一的CPV主导架构，但近年来已经创建了

9、无数不同的技术解决方案。特定CPV技术在全球能源发电市场中的重要性将取决于几个关键问题，尤其是生产成本的增长。制造商主要关心的是光伏组件的长期可靠性、成本效益和商业成功。考虑到光伏组件的部署方面，低资本支出(CaPEX)使CPV比普通光伏具有优势。随着对生产更清洁能源和减少二氧化碳排放的需求不断增加,需要对CPV系统进行潜在的改进;然而，与工业规模生产相关的成本仍然太高。其结果是对改进CPV模块的可能性进行了调查。由于改变电池尺寸和模块中的结电池数量，获得了最有希望的结果。3. CPV技术的表征4. 1.效率吸收太阳辐射的量对于光伏组件的效率至关重要。CPV系统的想法是基于使用光学设备将阳光聚

10、焦到负责将太阳能转化为电能的小型太阳能电池中。早些年前，一些CPV模型设计有不同类型的太阳能聚光器，例如菲涅耳透镜或反射镜。重要的是，太阳能电池结构是影响光伏效率的另一个因素。今天，标准是能够在高浓度下运行的多结太阳能电池。这些电池被称为IH-V太阳能电池，因为它们基于元素周期表中HI族和V族的特定元素。效率是投资回报的关键，因为它最终会降低度电成本。p-n结太阳能电池将太阳能转化为电能的效率取决于特定太阳能电池材料的能带隙。太阳能电池的效率随着带隙的增加而增加。工作温度并非没有意义;根据弗里德曼的工作，效率多结电池下降的典型幅度接近每摄氏度0.06%（绝对值）。取决于太阳能电池，冷却电池以主

11、动或被动方式是必备的;在提供了CVP冷却系统的综合调查。一般来说，与单结结构相比，多结太阳能电池的最大效率几乎高出10%o对于更开发的模块，甚至接近45%。不幸的是，相对较高的效率受到限制，因为三结电池的带隙组合损害了理想的太阳光谱分裂，有利于子电池材料的质量；然而，原则上接近60%的效率可以通过四个或更多结集中电池来实现。目前，没有其他电池架构能够获得如此高的效率并且仍在提高效率，尽管由于加热而损失了大约5%的潜在效率。这可以通过测试较小的单元大小来排除。需要注意的是，裸电池的转换效率，光伏模块和系统可能是发散的。差异源于透镜的光学效率、光谱条件、电池温度和不同的照明分布。因此，研究人员的主

12、要目标是提高各个层面的效率，从太阳能单元到模块；因此，需要新的方法来打破效率上限，使光伏技术在各种环境和地区成为更具竞争力的能源。这是新模块架构和制造工艺的市场机会；因此,欧洲研发部门在提供下一代模块和降低太阳能发电成本（LCOE）方面处于有利地位。3. 2.跟踪系统为了获得高效率和能量转换，模块需要不断精确地指向太阳。CPV模块朝向太阳光线的定位允许全天高效的能源产量。为此，使用了机械结构（太阳跟踪器）。根据移动轴的数量，太阳跟踪器可分为单轴和两轴跟踪器。表1给出了不同类型太阳跟踪器的详细说明。对于LCPV,跟踪系统是可选的;HCPV需要高精度的双轴跟踪器，因为它的接收角很窄。目前,市场上使

13、用最多的是两轴太阳跟踪系统，它可以基于三种方法：光电、天文（基于跟踪程序）和混合跟踪系统。目前应用最多的是混合式跟踪系统，它是程序和光电传感器相结合的跟踪方式。平面光学微跟踪能够使用应用聚光光伏原理的多结太阳能电池。该系统提供了在不同季节和天气条件下对太阳位置的高精度跟踪。由于CPV模块的重量和其他室外参数（例如风）,也存在障碍，这些参数决定了CPV的市场价值，而不是其效率。3.3. 耐用性决定CPV在市场上地位的关键参数是耐用性。平均而言,假设整个模块的寿命为25-30年，具体取决于用于生产特定组件的材料的条件和质量。CPV模块在真实气候条件下的可靠性可以根据认证标准IEC62,108进行评

14、估。在近八年的实验中（例如SOiteC或DaidO的CPV模块），所有根据该标准获得认证的模块都没有显示出退化效应。测试始终在组件级别进行通过在气候室中进行的加速老化。由于模块工作条件的高温，进行热测试也是合理的。热分析结果是确定接收器承受热失配、疲劳和其他温度变化能力的基础。还测试了其他环境因素，例如湿度、机械应力和高辐照水平，以评估模块在户外暴露后的行为。接受测试的最重要部件是CPV的透镜和玻璃部件，还有逆变器和变压器，因为它们的寿命较短。表中列出了各个HCPV组件的预期生命周期比较。表2.HCPV系统组件的使用寿命部件生命周期（年）双轴跟踪器30HCPV模块30电缆30逆变器15变压器1

15、04. CPV的最新解决方案CPV模块可以实现远远超过传统组件技术的效率，并且在未来有空间将效率推得更高，为降低系统成本提供了潜在途径。如今，经济问题是寻找资金继续研究和生产新型CPV模块的主要限制因素。由于许多投资者无法充分支持此类项目，因此该行业已开始寻找降低生产成本的方法。有前途的解决方案考虑了与减小单元尺寸相关的新型模块架构。替代方案之一是微型CPV,其中细胞面积缩小到InlnI2。微型CPV的想法是以引入一些制造挑战为代价获得尽可能多的好处。Semprius和Panasonic都是高科技公司，是最早获得微型HCPV组件效率最高（约35%）的公司之一。Panasonic以两种组合使用由

16、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的透镜：直接连接到太阳能电池（边长970m）或使用二次光学元件，太阳能电池面积为0.672m2。相比之下,Semprius使用具有600m太阳能电池的硅玻璃技术透镜。微型CPV的另一大成就是通过减少模块厚度减少每个电池上的热量集中，从而在其背板上产生更均匀的热量分布。因此，该模块产生的热量更少，并且可以在不使用任何散热器的情况下利用低成本基板。微型CPV的想法是获得广泛的好处，例如减少CPV模块的体积和材料强度，改善电池散热以及降低安装和运输成本。另一方面，微米级的操作和微光学的精度是需要高成本电池组装的最大挑战。具有成本效益的解决方案可能是转移印刷，也用于LED照明，旨在实现商业化。此外，CPV技术仅利用直接辐射；比较标准光谱，平面组件中使用的AML5全局值为IoOOW/m2,而用作CPV组件资源时AMI.5为900W2.因此，漫射辐射消失了，在中低直接法线照射(