太阳能光伏存储技术外文翻译译文.docx

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太阳能光伏存储技术外文翻译译文

山东理工大学

毕业设计

（外文翻译材料）

工程、2013年5，107-116doi:

10.4236/eng.2013.51A016已发布在线2013年1月（http:

//www.scirp.org/journal/eng）

 聚光器驱动吸收式冷水机组的热存储设计

M.A.Serag-Eldin

开罗，埃及开罗美国大学机械工程系

电子邮件:

amrserag@aucegypt.edu

收到2012年9月24日；修订于2012年11月6日；接受2012年11月15日

摘要

采用独立太阳能系统的的可行性，很大程度上取决于提供适当的太阳能能源存储，是否能满足负载的需求。

本文件提供了一个高效率和经济、地下、双效吸收式冷水机组热存储的设计，以满足在沙漠环境中零能源大厦存储温度为180°C左右的热水中运行冷却。

对设计的性能进行评估采用一个专门开发的有效数学模型，模拟稳态辐射发生在存储单元内的对流和传导过程。

该模型是介绍和分析，并采用，调查各种设计参数对存储效率的效应。

结果表明,提供合适的绝缘材料可以达到高存储效率。

它也表明,土壤电导率对存储效率的影响较小。

关键字：

热能储存；热水储存；太阳能；太阳能空调；绿色建筑。

1.导言

整个白天时间太阳辐射变化很大，而这里还完全不包括夜间时间，于是在满足各方面严格要求情况下利用太阳能将是一个巨大的挑战。

因此为了独立的操作，人们必须让能源存储满足输入和输出各个时间段的不同要求。

最合适的存储介质取决于集合系统的类型和最终用途。

例如，当屋顶光伏模块是用来收集太阳辐射，并将它转换为电能来驱动电气蒸气压缩型式冷水机组，如例子[1]，铅酸电池将是一个有吸引力的选择。

另外,为了符合热量和能量的来源要求，高温应用程序经常使用混凝土或陶瓷存储,以及熔盐和化学存储，如例子[2、3]。

。

相变储能具有突出的高强度，但受限于温度相位会变化发生，这需要某一特殊属性材料，因此它可能找不到合适应用程序的所有材料。

这项工作中我们所关心的是独立太阳能能源存储单元的设计，驾驶双效吸收式制冷系统在炎热的沙漠中降温。

存储单元应该是建立在经济、可靠和易于构建和维护的网络上。

以往的调查显示，为典型的沙漠环境中，由于其较高的单个效果的效率，一般双效吸收式冷水机组是首选，例如案例[4]，后者也会导致较少热拒绝从冷凝器，在缺水的沙漠它可能是一个严重的问题。

然而，双效冷水机组需要在大约170°C的温度，因而为热存储单元在180°C的冷水机组发电机，向和170°C提供设备返回设置目标温热源。

为提供简洁、经济的环境，以及可靠性，它提出用热水存储和水加压到大约12pa以避免沸腾。

存储效率准确估计的关键是收集器设备的能力，适当的尺寸和屋顶的存储能力是核心。

因而一种数学模型为此目的被专门开发，利用三维中生成导电膜-扬天方程的解决方案，商业上可用的代码，但引入了特别简化的辐射和对流的术语，以减少必要的复杂的计算。

虽然这项工作背后的动机是为适当存储写个特定的太阳能应用程序，设计也同样适用于任何太阳能集热器。

产热的温度范围90°C-200°C之间。

2.案例研究

为了便于演示，空调系统为500平米，2楼的洋房，在沙特阿拉伯的达兰沙漠，被认为是案例[6]。

房子屋顶的功能，紧凑的线性镜，反映出横梁直接辐射到腔接收器，热水从该驱动器吸收式冷水机组。

在其他地方，介绍的数学模型用于计算冷却负荷[8]，并从太阳能-集合/冷气系统[6]的输出。

能源存储要求输出然后被确定为不同设备在所有时间的供给和需求之间的缓冲区。

计算结果表明，需要热水在170°C的环境中的存储容量大约27立方米。

因此，这将论证根据大小采用的目的。

3.热存储设计

图1显示横断面高程视图的拟议的热水存储单元，而图2显示水箱在中途穿越水平面中显示相应的横断面计划。

该装置和水箱一起装在一个立方结构内、由钢筋混凝土挡墙为界和支持的钢筋混凝土板；整个单位被埋在下面的房子的驱动方式。

建设地下，而不是安装在地下室地板上的常规圆柱保温储罐的优点是众多包括：

1）存储单元是远程传输，所以从单位进行到建筑围护结构的热量较少；这种热量成为添加的冷却负荷。

2）安全和热水泄漏或油箱破裂时较少损伤

3）包装的存储单元内的设备结果保存的绝缘材料，如小绝缘，需要在内部油箱表面上自他们恢恢博尔表面的温度几乎相同。

4）利用周围的沙子，从地面分离单位侧和汤姆边界的热阻（绝缘）。

5）多余的房子地下室面积为其他用途。

提到图1，热水存储在国家环保总局的设备为方形截面显示1m边和3.3m深度。

贮罐里是由不锈钢制成的外表面抛光。

在施工期间，或在维修或修复期间，每个水箱丢弃在离这里稍大的空间。

图1横断面标高的热存储单元。

图2跨部门计划通过水平中间板切割

侧气隙为10-20毫米。

因而可能向上举和不破坏周围的绝缘或破坏性的相邻部件从存储单元中删除任何一辆水箱。

差距较小的宽度不允许重大对流电流，那里传热的唯一机制会传导热量和辐射。

前者是空气的低热导率，而后者是在海湾举行由低发射率（高反射率）的衬垫,并由另一个闪亮的铝板覆盖在绝缘衬面。

气隙还允许安装蒸气传感器和温度传感器。

突然增加的它们的读数会表明附近储存罐存在泄漏，导致报警被触发。

建设的保温材料包括共同玻璃棉、玻璃纤维、或矿物羊毛毛毯，种类全而且廉洁，显示系数的电导率k≈0.04W/（mK）[10]。

更重要的是这些材料具有优异的绝缘性能中包括微多孔保温材料，在200°C，基于气相二氧化硅，k=0.022W/（mK），二氧化硅气凝胶与典型k=0.017W/（mK）和二氧化硅气凝胶用车邦黑色显示电导率低至k=0.004W/（mK）[11]。

它说明结果不是一个问题在这里，在很低的相对湿度下，作为整体结构是气密、外部沙漠的空气格外，通常是若干和在高圆弧温度的绝缘部分的结果。

内胆表面之间绝缘厚度是100毫米，而在外墙外表面绝缘的厚度为500毫米。

外部油箱壁上的绝缘环绕所有的水箱，如图2所示。

以下外部表面的阶跃是19，同心辐射屏蔽板材从抛光的铝板约1毫米厚和失散的空气隙约9毫米的形成。

这些组成有效热之间的电阻绝缘材料和50毫米厚木材覆盖钢筋混凝土边墙。

由于气隙较小的宽度，跨热屏蔽的传热是通过传导和辐射，而不是对流。

所有的铝表面被假定为显示发射率为0.07，在中途站之间采用0.04-0.1范围典型的抛光商业板。

辐射屏蔽层是空气的温度的作为热阻在较低温度下更有效的在较高的部分，由于径向的依赖，第四个重要因素为较低的导流在较低温度下；因此它放置后的绝缘材料并不是在它之前。

木材混凝土盖最初是内部墙体为浇筑钢筋混凝土挡土墙施工和左有利用其良好的绝缘性能进行期间建造的木模（帧）。

强迫混凝土挡土墙是每个250毫米厚。

每个水箱是独立支持四个0.1m平方米钢筋混凝土块，将重量转移到300毫米钢筋混凝土板。

50毫米厚的石棉板分离块从水箱线性，低于0.30m空气差距到450毫米的阶跃。

虽然空气差距很大，对流的作用可能被忽视，因为顶部曲面导致在分层的热密度分化很小；因此这一差距预计将为底部材料保温作出贡献。

再次，仪器仪表都放在这一间隔当中，提供高级的警告发生泄漏。

通过这些热水供应和返回管道不锈钢盖关闭顶部的水箱。

盖子覆盖着600毫米的绝缘材料的高度反光铝板。

0.3米气隙分离的绝缘材料的为一个热水器屋顶单位；由于强对流电流这种差距不显著影响屋顶的保温材料，但眼中影响便于安装和辅助功能的弯管和阀门；因此屋顶保温材料厚度相对较大。

屋顶是从可移动钢筋混凝土块形成、工字钢梁上支持和可拆卸的瓷砖所涵盖.

图2显示共9相同水箱。

在操作期间，水箱可能会存储一些从在180°C的太阳能集热器加热后的水，而其他地方应存储在170°c从吸收式冷水机组返回的水。

这些水供应和返回管道，与控制阀门，连接各个舱到太阳能集热器和冷水机组发电机。

冷水机组操作对存储能量的时段，在180°C的供水将来自170°C向水箱返回的水。

而在太阳能存储的时段，期间从冷水机组在170°C返回的水将来自水箱和喂给太阳能的收汇系统，以返回到随后的使用中冷水机组发电机供应罐前加热至180°C。

作为一个水箱，里面的水在不断清空或填充，循环的供应和返回水箱。

这一系统，可使正使用的单个存储单元存储的热水循环使用。

选择水箱的容积能力，这种所选只有八个，他们提供整个存储需求，第九是需要从中循环往返热水的水箱。

在操作期间，可能会因为只有一条填补路径；所以可能只有单一的热水循环。

4.热损失模型

虽然全天不同的温度环境，热水在罐内的温度从170°C定期更改为180°C，存储单元的热容量是大循环；因此随着时间的变化可以忽略，一时间平均稳态传热模型，模型采用热水温度，Th，作为回报，供应热水温度的平均值，即TH=175°C环境温度规定的日平均值，为一年中最热的月份，这是当最大存储容量时将需要被采用。

热损失的机制涉及所有的传热方式，即传导，对流和辐射。

然而有史以来，目前实际应用中最重要的是因为它是一个传导模式构成的最大热发作的抗漏热。

为了避免计算杂糅，浮力驱动的流动在仙台-艾莱依隔离空气间隙和水箱，实证结果来模拟对流项；因此，自由的热传导更准确的预测和计算资源的问题。

两个对流项和辐射作为源项的三维热传导方程，变材料特性如下：

：

其中K表示的骗局率系数的局部值，S代表辐射和/或对流源项；X，Y代表两个水平正交坐标方向，从储罐的中心线向外量；和Z代表第三个直角坐标方向垂直向下从地面测量。

由于对称性，整个区域域只包含一个象限的储罐；然而，它延伸60米的土壤中的存储单元的底部和50米以外的每一方，从而创造一个半无限土体体积体现施特尔年龄罐。

集成域的顶部以地面有界。

有限体积法求解方程

（1）和数值，符合下列条件：

4.1.边界条件

4.1.1.在内部方的界限（x=0，y=0）

强加的对称条件，这意味着没有热通量。

4.1.2.在顶部边界（z=0）

这是暴露于大气空气的地面。

施加对流边界条件，外部热量传输系数hou=（含22.7（m2K）和环境温度，T磁悬浮轴承=35°C。

为了一般性的原则下，侯值由ASHRAE推荐夏季天气[12]的标准值，但一个更具体的值反映了当地的环境条件下会更准确。

4.1.3.在底部和外部双方边界

这些边界表示在x、y和z方向的集成区域的四肢。

默认情况下，在这里采用的模型假定，在稳定状态，从存储单元中的所有的热泄漏最终找到通过土壤和屋顶传导到上边界的表面，并从那里通向大气。

因此，在侧面和底部边界的边界条件下，无热流量跨越边界。

这是在COM常用的导热形状因子[13]采用了经典的假设，计算从埋藏的物体接近表面的热损失（例如，管道）。

然而，这需要底部和侧边界足够远从热源；一个假设，这是由两种类型的侧面和底部边界条件下的结果比较验证这里；即零梯度条件下的默认，和一个替代的一个指定的温度控制，温度条件是一套鼓。

对于标准的设计和早期条件显示，总的热损失率从一个象限的单元，计算为152.01W的零梯度边界元的条件，和152.02W的边值条件；仅有0.0066%个不同。

对边界值的制定，约91%的总热量消散逸出的顶面，而在9%逃脱通过底部和侧边界。

然而，热耗散在存储单元边界，几乎没有影响，这表明的积分域足够大，不能在遥远的边界条件的影响的结果。

这也证实了通过扩大整合域50米所有方向，和检查所计算出的热损失从存储单元几乎没影响。

4.2.收敛和网格独立性

由于辐射条件的非线性，以及对流换热系数的温度依赖性，迭代解是必要的。

外部迭代来获得的温度差在顶部和底部的空气间隙之间的干扰，和水的体积在TH和内胆表面；这个循环需要一般4-5次迭代。

一个内部回路EM组处理辐射条件的非非线性，重新进行约40次迭代收敛的充分。

由常规和非常规的标准表示收敛。

前者包括还原的控制容积方程残差的总和和灰，低于一定的规定的公差等级，包括在当地的温度值每迭代增量更改一个公差等级数值。

后者，便是更具体的问题，监测和计算出的热通量交叉存储单元的边界之间的干扰，和消散的从地面到大气中。

内迭代停止这种差异的大小是小于0.07%。

网格独立性的检查是由粗、细网格得到的结果进行比较。

粗网格采用84×84×87网格控制量在x，y和z方向分别，；而精细的一个采用双本控制体积的数量在每个方向上的网格间距的一半，被用在所有地区。

在存储单元的外表面的散热损失的结果同意在0.00033%以内，这是前怪小差异，表明没有显著的网格依赖性。

4.3.建模源条款和接口

在材料的接口和建模的源项需要特殊注意事项，在这里提出。

4.3.1.垂直的线性差距

每个内胆是从周围的侧由稀薄的空气间隙的10的顺序20毫米壁绝缘分离；因此对流空气隙内是可以忽略的[9]，和热被认为跨越的差距，通过传导和辐射的唯一。

在温度日附近的线性水网格节点之间的热阻，和相对的绝缘结温度罐，是水侧的对流阻力的总和，结合辐射导热热阻在空气间隙，和导电性的在岛和材料。

热通量的衬垫，Q，从而表达：

这里hwl是对流换热系数在内衬的空气间隙，x是线性气隙，x厚度ins是从第一阶跃网格节点，k的内衬绝缘的深度和kins分别是空气和绝缘材料的热导率。

Εss和εAL分别代表涵盖材料（铝）空气间隙和保温材料的发射率。

h的值wl从以下为湍流自然对流对垂直板[14]的经验方程得出：

在kw是水的导热系数，dw是导热系数和Ra是水箱的深度是瑞利数。

内胆表面的平均温度差Twl、之间热水大容量温度TH，都是未知的；因此，初始的猜测是用于启动解决方案，这个值是基于改进的迭代计算相关值的热损失，根据：

在整个垂直内胆表面，对A进行积分.

4.3.2.辐射屏蔽

辐射屏蔽是由几个紧密间隔的平行的铝合金板，填充的空间（0.2米）的绝缘外表面和内表面之间的木框组成。

作为例外，在两个接口的控制体积由双方彼此在网格节点一侧填充一种材料。

这是为了使网格节点的接口表面齐平，因此避免辐射传热的计算所需要的表面温度插值。

同样的方法应用到的辐射换热空气的固/液界面的计算。

因为连续板之间是小间距（~10毫米）、浮力驱动电流可忽略不计的对流[9]，只需要考虑辐射和传导传热。

假定所有板材都显示相同的发射率εAl，包括边缘绝缘材料和木框架。

表示前的指标"0"，后者的（N+1），并假设均匀空气电导率k，自始至终，很容易地显示整个辐射屏蔽层流动的热通量的表示：

式中kair是的平均空气电导率、x是连续木板之间的空隙，n是内部的牌的数目。

在方括号中的第一个任期是源词S，而第二个是正常传导任期。

4.3.3.底部气隙

传热穿过空气间隙从绝缘表面发生，主要是通过辐射和传导。

这是因为热面（槽底板）是在上面，导致在一个分层的密度场可以忽略的对流电流租金[15]。

空气被认为是辐射和透明的，和辐射热交换发生直接的衬底的网格节点和对绝缘表面网格节点之间的。

4.3.4.以上水表面空气空间

热水的表面和罐盖由一层薄薄的空气之间的空间占用，厚度为10—20，这产生了瑞利数，太小是显着的对流效应；交换横跨间隙是辐射和热传导的主要机制。

因此，热电阻热水体之间在

和第一绝缘网格节点温度罐是在水表面的对流阻力之和，在空中的辐射和导电性，导电性和绝缘表面的第一内部网格节点，服从：

式中εw表示的水表面的发射率，hws表示传热系数，计算从以下降为冷板向下对流传热的经验关系：

温度差TwsRa定义中出现是TH和空气-水界面的表面温度之间的差异；它是未知的先验，从而为平均温度差，初始猜测Tws用来启动解决方案，和提高迭代的基础上计算出的值的热损失，根据：

其中积分是在整个水体的表面面积，A.

4.3.5.顶尖气隙

热传递发生在顶部的空气间隙，通过控制对流和辐射产生。

一个有效的导电性，可用来评估的对流和传导的贡献，根据下面的经验公式，在封闭的空间约束平行的水平面之间的自然对流[15]：

在定义中，Ra为温度差的绝缘层的顶表面温度和顶底表面温度之间的平均差异，这两者都是解决方案的一个结果；因此ke为校正迭代采用最新的预测温度。

辐射换热是对发生绝缘表面直接顶面和底面之间的屋顶，空气被假定为透明的辐射。

5.结果的显示

图3显示温度分布在整个y=0对称平面。

由于对称的集成域只包含有一个象限的存储单元，在左上角显示。

左边的图用彩色编码显示局部温度的大小，其关键是在图形的中心显示。

一个坚实的黑色线条勾勒出了钢筋混凝土结构的外表面，形成的存储单元的边界。

图中显示周围的存储单元，包括在解决方案领域，边界不妨碍热流土壤绝量。

它也表明，高温区域仅限于附近的水箱，和周围的土壤温度是非常接近土壤表面温度；这是由于高的热电阻在该存储单元。

右边的图显示相应的等温线的绘制，采用100个等距间隔的表面温度之间的温度（35°C）和热水温度（175°C）；而且等温线是根据在左边画的颜色代码颜色。

下方的热水箱，等温线是非常接近的，但他们迅速扩大在短距离内迅速减小，表明二垂直梯度，因此限制了病房热的穿透到土壤。

靠近地面的表面，揭示吸附等温线的大梯度接近存储单元，而进一步的梯度迅速消亡，这意味着散发到大气中的热变得小得可以忽略不计。

图4显示了零倍的放大，图3，显示在周围的存储单元的区域，形成存储单元中的不同材料的轮廓。

左边的图显示，在存储单元中的主要的温度下降发生在绝缘材料单面；特别是对垂直面。

然而，有史以来，下方的钢筋混凝土的储罐底部的土壤温度明显高于对钢筋混凝土侧墙外保温层厚度，尽管几乎是相同的，与混凝土厚度较大的底。

这是归因于热辐射屏蔽的更高的耐热性相比，空气间隙；后者提供了更少的辐射电阻的屏蔽表面温度高、缺乏的原因。

右边的图显示一个在土壤中的吸附等温线在存储单元的底部比两侧更近的间距，表明较高的热通量和从底部的单位的损失。

因此，增加罐底保温层厚度可能是合理的。

图3整个对称平面的温度分布

图4扩大的横断面高程附近的存储单元

另一方面，当顶绝缘的温度非常接近的表面以上，指示从顶部的损失比较小；因此，一些节能保温材料可能是可行的。

这是说，在屋顶的坡度，在右边的图显示，仍高于两侧；然而，这是由于较低的电导率的屋顶材料和土壤相比。

图5显示相应的横截面图，在水平面中通过热水罐方式传递。

这一发现大多数的温度下降发生在绝缘材料，符合低的辐射屏蔽。

6.调查

调查研究了地表温度，土壤电导率的影响，绝缘材料的导电性和辐射屏蔽板的热损失从存储单元数。

热损失是每天最大能量存储热的百分位数的损失，计算为存储在八个水箱×水的比热×10°C的水的质量的产品（太阳能集热器的热水进口与出口之间的温差）。

图6显示损失率为地表温度范围从20°C到45°C函数，这是典型的预期范围在阿拉伯沙漠。

可以看出，热损失5.2%的最大存储6.2%之间变化，约占10%表示偏差是巨大的。

此外，配置文件是高度线性的。

由于热水温度固定在175°C，这表明热水和地面面之间的一个几乎恒定的热电阻，尽管一些空气隙引入辐射和对流换热，在水箱内自然对流，所有这些都依赖于温度。

这归因于传导阻力占主导地位。

图7显示了在热损失与土壤电导率的变化，在1-2.5W／（m2K）范围的限制，分别对应的干砂和饱和土。

也显示是人为的高导电率的上限（K=1000W／（m2K））表示零土壤热阻的情况。

结果表明，土壤电导率对热损失的影响小；总的热损失，通过在正常土壤电导率范围只有0.2%个不同，而在没有任何限制的情况下，土壤电阻的热损失只有0.26%，高于最低。

图8显示的热损失百分百与内部辐射屏蔽板，为0.20m的总体差距宽度数的变化。

变化很小，损失由5.7%下降至56.25%时在圆弧板数的增加从9到19；此外曲线的斜率表示减少返回的牌的数目增加。

后者可以通过在板的气隙的导通损耗和radiationloss和损失的解释，与前者基本上是独立悬挂的屏蔽板的数量由于差距是足够小的对流的影响可以忽略不计。

因此如板数趋于无穷大损失往往是常数。

此外的辐射分量的方程（5）表明热损失与屏蔽板数之间的关系是双曲型、qn1是一个常量，为一个给定的T0和Tn+1.

图9显示了不同的热损失，保温材料导热系数的影响；电导率的变化范围在0.021W／（m2K）微孔二氧化硅绝缘约0.057W／（m2K）玻璃纤维毯。

两组数据，一组显示设计结果显示在图1和图2的辐射屏蔽的中心，而其他结果显示镭辐射屏蔽被移除，它的体积填充整个单元相同的绝缘材料。

图5，在水平中间板跨部门计划的扩大

图6，对热损失表面温度的影响

图7，热损失对土壤电导率的影响

图8，对热损失的盾板数的影响

图9，热损失对绝缘材料的电导率的影响

可以看出，辐射屏蔽，热损失与电导率的增加几乎呈线性增加，和3.6%之间变化的7.1%个最低的电导率，为最高，即近一倍。

很明显，最高的存储效率要求采用最好的绝缘材料。

的损失系数关系的线性度，以及损失的变化幅度比较大，意味着到目前为止最重要的热电阻的单位是由绝缘材料的导电性；这个结果也证实了以前的调查辐射屏蔽和土壤电导率。

用辐射屏蔽，没有设计的比较，表明用K＞0.028W／（m2K）与绝缘材料的辐射屏蔽设计是超优越；低电导率的设计下，但这种高质量的绝缘的成本可能是CON组，也更昂贵的比辐射屏蔽，和改进的不值得。

7.讨论、摘要和结论

本文提出了适合于沙漠环境的中间温度范围的太阳能储存一个简单的设计。

存储单元是建在地下，腾出宝贵的居住空间，是环保的，安全的，强大的，需要最少的维护，且易于监控和现场修复，即使在沙漠环境。

此外，它实现了存储效率为6.7%最有效的设计环境温度为45°C，至91.8%的效率最低的设计环境温度为20°C；94%-95%一个典型的效率可以预期为35°C环境温度

一个有效的模型开发的热损失的计算，采用三维热传导方程的变量属性为基本控制方程，同时对辐射和对流的简化源项。

计算结果表明，材料的热传导阻力远大于对流和辐射的，从而证明了简化的处理。

结果表明，绝缘材料的导电率是确定存储效率最重要的参数。

更高的效率，也可以通过增加保温材料厚度得到改善；但预计不会线性会导致增加的外部尺寸的存储单元，这将导致的表面面积的增加，热渗透到环境下结论。

最佳的材料的厚度和类型使用，绝缘材料的成本节约和其他资本成本之间的权衡。

后者包括建设和土地使用成本，和成本的太阳能收集装备和屋顶面积使用。

因此，对材料的最佳选择，很可能是网站的依赖；然而，在绝缘材料性能的改进得到的热损失大大降低，而绝缘材料是唯一的一个组成部分，存储单元的结构和可能不是最昂贵的，高质量的绝缘材料的使用是可能的要获得它的好处。

8.确认

这项工作是由国王阿卜杜拉大学科技大学主办，通过综合沙漠建设项目在AUC

引用

1.M.A.Serag-Eldin,“ThermalDesignofaModern,Air-Conditioned,Single-Floor,Solar-PoweredDesertHome,”InternationalJournalofSustainableEnergy,Vol.30,No.2,2011,pp