ارزیابی چرخه عمر (LCA) پانل های PV Silicon

- May 20, 2020-

منبع: miratopedia.org


زمینه

فن آوری های انرژی جایگزین مانند ماژول های فتوولتائیک (شکل 1) در سراسر جهان محبوبیت بیشتری پیدا می کنند. در {1 worldwide} ، برای اولین بار ، سرمایه گذاری های جهانی در منابع انرژی جایگزین سرمایه گذاران بیشتری را نسبت به سوخت های فسیلی به خود اختصاص داده و سرمایه خالص 2 {}} میلیارد دلار سرمایه خالص را در مقابل 3} {} میلیارد دلار سرمایه گذاری جدید در نفت ، گاز طبیعی و زغال سنگ انرژی خورشیدی به تنهایی 4 {{4 $ $ {5}} میلیارد دلار درآمد جهانی در in 6 {} generated ایجاد کرده است ، و پیش بینی می شود تقریباً سه برابر شود که با درآمد پیش بینی شده 7 {{7} {5} میلیارد دلار برای} 9.

فن آوری های جایگزین انرژی به دلیل آگاهی بیشتر و نگرانی های مربوط به آلودگی و تغییرات آب و هوایی جهانی در سراسر جهان به طور فزاینده ای رایج شده اند. فن آوری های جایگزین انرژی گزینه جدیدی را برای به دست آوردن انرژی مفید از منابعی که تأثیرات زیست محیطی کمتری بر روی کره زمین دارند ارائه می دهند. اما چقدر کمتر؟

بررسی قبلی منتشر شده از آنالیز انرژی خالص فتوولتائیک های مبتنی بر سیلیکون[1]دریافتند که انواع سیلیکون (آمورف ، پلی کریستالی و تک بلور) مبتنی بر PV باعث تولید انرژی بسیار بیشتری در طول عمر خود نسبت به تولیدشان می شود. تمام PV های مدرن سیلیکون از نظر انرژی خود را در کمتر از 1 {1}} سال پرداخت می کنند - حتی در سناریوهای استقرار بسیار زیر حد.

در این مقاله به بررسی کلیه تأثیرات زیست محیطی مرتبط با تولید و استفاده از طول پنل های فتوولتائیک سیلیکونی (PV) می پردازیم.

ارزیابی چرخه زندگی (LCA) چیست

ارزیابی چرخه زندگی (LCA) اثرات زیست محیطی یک محصول یا فرایند از تولید تا دفع را ارزیابی می کند[2]. LCA مواد و انرژی ورودی مورد نیاز برای تولید و استفاده از یک محصول ، انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با استفاده از آن و تأثیرات زیست محیطی دفع یا بازیافت را بررسی می کند. LCA همچنین ممکن است هزینه های خارجی مانند کاهش محیط زیست را که توسط تولید یا استفاده از یک محصول ضروری است ، بررسی کند[3].

تاریخچه مختصر انرژی خورشیدی

اولین سلول فتوولتائیک توسط چارلز فریتس ساخته شده است که یک سلول 30 سانتی متری از سلنیم و طلا را در {1} built ساخته است[4]. فن آوری مدرن فتوولتائیک سیلیکون توسط محققان آزمایشگاه های بل ، که به طور اتفاقی اتصال اتصال pn را ایجاد کرده اند که به وسیله فتوولتائیک قادر به تولید برق مفید است ، در {0} discovered کشف شد.[5]. در {{0} ، ناسا شروع به استفاده از فتوولتائیک ها به عنوان سیستم های قدرت پشتیبان برای ماهواره های خود کرد[4]اولین اقامتگاه خورشیدی در دانشگاه دلاور با هزینه 1 {1 constructed ساخته شد و اولین پروژه فتوولتائیک در مقیاس مگاوات در کالیفرنیا در 3 3 نصب شد.[4].

تجزیه و تحلیل چرخه سیلیکون PV پانل

بخش زیر حاوی یک تحلیل کوتاه از چرخه عمر پانل های سیلیکون PV است. فاکتورهای چرخه عمر مورد بحث عبارتند از: انرژی مورد نیاز برای تولید ، انتشار دی اکسید کربن در چرخه عمر ، و همه آلودگیهای ناشی از آلودگی که در طول صفحه های PV تولید می شود ، مفید است از: حمل و نقل ، نصب ، بهره برداری و دفع.

مورد نیاز انرژی برای تولید

ساخت فتوولتائیک بسیار پر انرژی ترین مرحله از ماژول های PV نصب شده است. همانطور که در شکل {{0} seen مشاهده می شود ، مقادیر زیادی انرژی برای تبدیل ماسه سیلیس به سیلیکون با خلوص بالا مورد نیاز برای ویفرهای فتوولتائیک استفاده می شود. مونتاژ ماژول های PV با افزودن فریم آلومینیوم با انرژی بالا و سقف شیشه ای ، یکی دیگر از اقدامات فشرده منابع است.


شکل {{0}: الزامات انرژی مراحل تولید در ساخت پانل های PV به عنوان درصد تقاضای انرژی ناخالص (GER) MJ / panel {1 (((0 65 m {{4 }} سطح)[6].


تأثیر محیطی یک ماژول فتوولتائیک سیلیکون شامل تولید سه مؤلفه اصلی است: قاب ، ماژول و اجزای تعادل سیستم مانند قفسه و اینورتر[3]. گازهای گلخانه ای بیشتر در اثر تولید ماژول ایجاد می شوند (81)) و به دنبال آن تعادل سیستم (1}}})) و قاب (2 {}}))[3]) نیازهای منابع چرخه تولید در شکل {{0} mar خلاصه شده است.


شکل 3: چرخه تولید و منابع مورد نیاز ماژول سیلیکون[6].

انتشار دی اکسید کربن با طول عمر بالا

انتشار دی اکسید کربن در طول عمر بالا به انتشار گازهای ناشی از تولید ، حمل و نقل یا نصب مواد مربوط به سیستم های فتوولتائیک اشاره دارد. علاوه بر خود ماژول ها ، نصب معمولی شامل کابل برق و یک قفسه فلزی است. سیستم های فتوولتائیک مستقر در زمین نیز یک پایه بتونی را شامل می شوند. تاسیسات از راه دور ممکن است برای انتقال برق به شبکه برق محلی به زیرساخت های اضافی نیاز داشته باشد. علاوه بر مواد ، یک تحلیل چرخه عمر باید شامل دی اکسید کربن است که در هنگام حمل و نقل ماژول های فتوولتائیک بین کارخانه ، انبار و محل نصب از وسایل نقلیه ساطع می شود. شکل {{1} contributions سهم نسبی این عوامل را در تأثیرات دی اکسید کربن در طول عمر از پنج نوع ماژول فتوولتائیک مقایسه می کند.[7].


شکل 4:انتشار دی اکسید کربن طول عمر برای تاسیسات فتوولتائیک در مقیاس بزرگ ، با توجه به جزء طبقه بندی شده است. در این نمودار ماژول های سیلیکونی تک هسته ای معمولی (m-Si (a)) ، سیلیکون تک کارآمد با کارایی بالا (m-Si (b)) ، تلوریم کادمیوم (CdTe) و سلنیوم ایندیوم مس (CIS) را با یکدیگر مقایسه می کنیم. نمودار توسط نویسندگان ، بر اساس[7].

انتشار گازهای حمل و نقل

حمل و نقل حدود {{}} از انتشار چرخه چرخه فوتوولتائیک را تشکیل می دهد[7]. ماژول های فتوولتائیک ، قفسه ها ، و سخت افزار تعادل سیستم (مانند کابل ها ، اتصالات و براکت های نصب) اغلب در خارج از کشور تولید می شوند و با کشتی به ایالات متحده منتقل می شوند.[8].از ایالات متحده ، این قطعات توسط کامیون به مراکز توزیع و درنهایت به محل نصب منتقل می شوند.

انتشار گازهای گلخانه ای

تولید گازهای گلخانه ای مربوط به نصب شامل انتشار گازهای گلخانه ای ، مصرف مواد و مصرف برق مرتبط با فعالیت های ساختمانی محلی برای نصب سیستم است. این فعالیت ها کمتر از {}}}} از کل انتشارات چرخه عمر سیستم فتوولتائیک تولید می کنند[8].

انتشار عملیات

هیچ آلودگی هوا یا آب در طول استفاده از ماژول های PV ایجاد نمی شود. هوا در طول ساخت ماژول های PV از حلال و انتشار الکل که در تشکیل اوزون فتوشیمیایی نقش دارند تأثیر می گذارد. حوضه آبریزها با ساخت ماژولهایی از استخراج منابع طبیعی مانند کوارتز ، کاربید سیلیکون ، شیشه و آلومینیوم تحت تأثیر قرار می گیرند. به طور کلی ، جایگزینی برق شبکه جهانی فعلی با سیستم های PV مرکزی منجر به کاهش 89-98٪ در انتشار گازهای گلخانه ای ، آلاینده های معیارها ، فلزات سنگین و گونه های رادیواکتیو می شود.[9].

انتشار گازهای گلخانه ای

دفع ماژول های فتوولتائیک سیلیکون تأثیرات قابل توجهی نداشته است زیرا تاسیسات در مقیاس بزرگ فقط از اواسط سال 1980&# {{2} been مورد استفاده قرار گرفته است ؛ s و ماژول های فتوولتائیک حداقل طول عمر حداقل 3}}} سال را دارند.[4]. فنتاکیس و همکاران. (2005)[2]به طور خاص فقدان داده های موجود در مورد دفع یا بازیافت ماژول های فتوولتائیک را شناسایی کرد ، بنابراین این موضوع تحقیقات کامل تر را ضروری می کند.

LCA فوتوولتائیک در مقایسه با سایر منابع انرژی

انتشار کل چرخه عمر مرتبط با تولید انرژی فتوولتائیک بیشتر از انرژی هسته ای است اما پایین تر از تولید انرژی سوخت های فسیلی است. انتشار گازهای گلخانه ای چند چرخه از چندین فن آوری تولید انرژی در زیر ذکر شده است:[3].

  • Silicon PV: 45 g / kWh

  • ذغال سنگ: 900 g / kWh

  • گاز طبیعی: 400-439 گرم در کیلووات ساعت

  • هسته ای: 20-40 گرم در کیلووات ساعت

در طول عمر 20-30 ساله خود ، ماژول های خورشیدی بیشتر از آنچه در طول تولید آنها مصرف می شود برق تولید می کنند. زمان بازپرداخت انرژی حداقل عمر مفید مورد نیاز یک ماژول خورشیدی را برای تولید انرژی مورد استفاده در تولید ماژول کمیت می کند. همانطور که در جدول 1 shown 1 shown نشان داده شده است ، میانگین زمان بازپرداخت انرژی 3-6 سال است.


جدول {{0}: بارهای برگشت انرژی (EPBT) و عوامل بازگشت انرژی (ماژول های برگشتی انرژی) ماژول های PV نصب شده در نقاط مختلف در سراسر جهان[6].


کشور

شهر

تابش خورشیدی

عرض جغرافیایی

ارتفاع

تولید سالیانه

EPBT

ERF



(kWh / m 2)


(m)

(kWh / kWp)

(سال ها)


استرالیا

سیدنی

1614

33.55

1

1319

3.728

7.5

اتریش

وین

1108

48.2

186

906

5.428

5.2

بلژیک

بروکسل

946

50.5

77

788

6.241

4.5

کانادا

اتاوا

1377

45.25

75

1188

4.14

6.8

جمهوری چک

پراگ

1000

50.06

261

818

6.012

4.7

دانمارک

کپنهاگ

985

55.75

1

850

5.786

4.8

فنلاند

هلسینکی

956

60.13

0

825

5.961

4.7

فرانسه

پاریس

1057

48.52

32

872

5.64

5

فرانسه

مارسی

1540

43.18

7

1317

3.734

7.5

آلمان

برلین

999

52.32

35

839

5.862

4.8

آلمان

مونیخ

1143

48.21

515

960

5.123

5.5

یونان

آتن

1563

38

139

1278

3.848

7.3

مجارستان

بوداپست

1198

47.3

103

988

4.978

5.6

ایرلند

دوبلین

948

53.2

9

811

6.064

4.6

ایتالیا

روم

1552

41.53

15

1315

3.74

7.5

ایتالیا

میلان

1251

45.28

103

1032

4.765

5.9

ژاپن

توکیو

1168

35.4

14

955

5.15

5.4

جمهوری کره

سئول

1215

37.3

30

1002

4.908

5.7

لوکزامبورگ

لوکزامبورگ

1035

49.62

295

862

5.705

4.9

هلند

آمستردام

1045

52.21

1

886

5.551

5

نیوزیلند

ولینگتون

1412

41.17

21

1175

4.185

6.7

نروژ

اسلو

967

59.56

13

870

5.653

5

کشور پرتغال

لیسبون

1682

35.44

16

1388

3.543

7.9

اسپانیا

مادرید

1660

40.25

589

1394

3.528

7.9

اسپانیا

سویا

1754

37.24

5

1460

3.368

8.3

سوئد

استکهلم

980

59.21

16

860

5.718

4.9

سوئیس

برن

1117

46.57

524

922

5.334

5.2

بوقلمون

آنکارا

1697

39.55

1102

1400

3.513

8

انگلستان

لندن

955

51.3

20

788

6.241

4.5

انگلستان

ادینبورگ

890

55.57

32

754

6.522

4.3

ایالات متحده

واشنگتن

1487

38.52

14

1249

3.937

7.1


نتیجه گیری

پانل های PV سیلیکون در مقایسه با اکثر اشکال متعارف انرژی مانند زغال سنگ و گاز طبیعی دارای تأثیر محیطی در چرخه عمر پایین هستند. بیشترین میزان انتشار کربن ناشی از استفاده از پانل های PV مربوط به تولید ماژول است. بارهای برگشت انرژی (EPBT) برای اقلیم های مختلف خورشیدی در سراسر جهان بین 3 و {1}} سال متفاوت است. به طور کلی ، پانل های PV سیلیکون قبل از طول عمر مفید خود ، هزینه های مورد نیاز انرژی اولیه تولید را بازپرداخت می کنند و برای اکثر عمر مفید آنها تولید کننده خالص انرژی هستند.


منابع

1 ج. پیرس و A. لاو ،&به نقل از: تجزیه و تحلیل انرژی خالص برای تولید انرژی پایدار از سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون به نقل از&؛ ، مجموعه مقالات انجمن مهندسان مکانیک آمریکایی خورشیدی ar {1}}: طلوع آفتاب بر روی انرژی قابل اعتماد انرژی ، ویراستار R. Cambell -هوه ، {{1}.پی دی اف

2Fthenakis ، VM ، EA Alsema ، و MJ de Wild-Scholten (1 {}}) ، ارزیابی چرخه زندگی فوتوولتائیک: ادراک ، نیازها و چالش ها ، کنفرانس متخصصان فتوولتائیک IEEE ، اورلاندو ، فلوریدا.

3Fthenakis ، V. و E. Alsema ({{0}) ، زمان بازپرداخت انرژی فوتوولتائیک ، انتشار گازهای گلخانه ای و هزینه های خارجی: وضعیت 2004 - اوایل 2005 وضعیت ، پیشرفت در فتوولتائیک ، {3}}} ، 275 -280

que {0}} Luque ، A. و S. Hegedus (1}}}) ، کتابچه راهنمای علوم و مهندسی فتوولتائیک ، ویلی ، هابوکن ، نیویورک.

et {0}} گوتزبرگر ، A. ، و VU هافمن ({1}}) ، تولید انرژی خورشیدی فتوولتائیک ، Springer ، نیویورک ، NY.

cycle {0} assessment ارزیابی چرخه عمر تولید برق فتوولتائیک ، A. Stoppato ، انرژی ، دوره 33 ، شماره {} 2}} ، فوریه {{2} 008 ، صفحات 2 24-232

o {0}} Ito، M.، K. Kato، K. Komoto، T. Kichimi، and K. Kurokawa (2007) ، یک مطالعه مقایسه ای در مورد هزینه و تجزیه و تحلیل چرخه زندگی برای {3 سیستم های PV (VLS-PV) در مقیاس بسیار گسترده در بیابان ها با استفاده از ماژول های M-Si ، a-Si ، CdTe و CIS ، پیشرفت در فتوولتائیک ، 8 {8} ، 17-30

o {0}} Ito، M.، K. Kato، K. Komoto، T. Kichimi، and K. Kurokawa (2007) ، یک مطالعه مقایسه ای در مورد هزینه و تجزیه و تحلیل چرخه زندگی برای {3 سیستم های PV (VLS-PV) در مقیاس بسیار گسترده در بیابان ها با استفاده از ماژول های M-Si ، a-Si ، CdTe و CIS ، پیشرفت در فتوولتائیک ، 8 {8} ، 17-30

then {0}} Fthenakis ، V. ، Kim ، H. و E. Alsema ({1}}) ، انتشار از چرخه زندگی فوتوولتائیک. فناوری علوم محیط زیست ، 2 {}} ، 2168-2174.