Tvær leiðir sólarinnar til orku: Skilningur á sólvetnisframleiðslu og samþjöppuðu sólarorku

Þó að flestir einstaklingar hugsi um sólarrafmagn eins og í gegnum ljósavélar sem nota sólarljós til orku; það eru margar fleiri leiðir þar sem þú getur fengið verðmæti í gegnum sólina en bara ljósavélar. Til dæmis geturðu notað sólina til að framleiða hreint vetniseldsneyti og búa til nytjaorku-með hita. Það eru nokkrar spennandi nýjar tækni sem ýta undir umslagið á sólarorku: vetni frá sólarorkugjöfum og einbeitt sólarorka (CSP).

Vetni er þekkt sem „eldsneyti morgundagsins“ af ýmsum ástæðum. Vetni hefur um það bil 142 MJ/kg orkuinnihald og ef þú notar vetni í efnarafal er eina losunin sem myndast með vatni. Hins vegar er enn mikil áskorun fyrir framleiðslu vetnis að framleiða mikið magn af vetniseldsneytinu hreint. Ein leið til að leysa þetta mál er að nota sólarljós til að kljúfa vatn sem leið til vetnisframleiðslu, þetta ferli hefur enga losun gróðurhúsalofttegunda.

Það eru þrjár megingerðir vetnisframleiðslu úr sólarorku sem eru nú á mismunandi þroskastigi:

Fyrsta tæknin (þroskaðasta) notar ljósvökva (PV) spjöld ásamt rafgreiningartækjum. Rafgreiningartæki eru rafmagnstæki sem taka rafmagn og breyta vatni í vetni og súrefni með því að nota hita og varmaflutning. PV kerfi eru mest þróuð og aðgengileg; PV kerfi eru mjög mát og áreiðanleg; þegar PV og rafgreiningartæki eru tengdir án nokkurra aflbreytibúnaðar hefur STH umbreytingarskilvirkni alls kerfisins nálgast fræðileg mörk.

Rannsóknir sýna að einbeitt PV kerfi standa sig verulega betur en hefðbundin. Með því að nota InGaP/GaAs/Ge frumur undir styrkleika 750 sóla náðu vísindamenn STH skilvirkni upp á 18-21% með framleiðsluhraða upp á 0,8-1,0 lítra af vetni á mínútu á hvern fermetra svæðiseiningar. Hefðbundnar kísileiningar undir einni sól, til samanburðar, náðu aðeins um 9,4% STH skilvirkni með framleiðsluhraða um 0,3 L/mín·m². Þetta táknar frammistöðukostur upp á 1,5 til 3 sinnum fyrir einbeitt kerfi.

Vatnsrafgreining hefur skilvirkt notkunarsvið á bilinu 70-80%, sem gerir þennan valkost meira aðlaðandi þegar litið er til framtíðar endurnýjanlegrar raforkuverðs. Eina stóra áskorunin í augnablikinu er hátt verð á rafgreiningartækjum og ófyrirsjáanleiki sólargeislunar, sem leiðir til þess að vandlega þarf að samþætta kerfið.

Ljósefnafræðileg (PEC) kerfi nota samþættari nálgun en fyrri aðferðir við rafgreiningu á vatni með því að framleiða fyrst raforku og síðan nýta þá orku til að búa til vetni úr vatni. PECs nota hálfleiðara efni sem eru á kafi í vatni, sem eru fær um að gleypa ljós frá sólinni og umbreyta því beint í að geyma orku efnafræðilega í formi vetnis með rafgreiningu vatns. Þetta gerist þegar ljós lendir á hálfleiðaranum og skapar rafeindapör/hol. Rafeindirnar í hálfleiðara vélbúnaðinum draga úr róteindum til að mynda vetni; götin sem myndast munu oxa vatnssameindirnar sem framleiða súrefni.

PECs voru fyrst rannsökuð fyrir um það bil 50 árum síðan af Shinichiro Fujishima og Honda þegar þeir komust að því að títantvíoxíð (TiO2) rafskaut gæti klofið H2O í H2 og O2 þegar það var tengt við platínu bakskaut/blendi og lýst upp með UV ljósi. (Þetta er það sem er kallað „Honda-Fujishima áhrif“)

Eins og er, eru PEC kerfi með aðlaðandi, fyrirferðarlítinn hönnun með getu til að ná beinni sólarorku-í-vetnisbreytingu með einföldum og glæsilegum búnaði. Þrátt fyrir þessa jákvæðu hönnunareiginleika er PEC-tæknin enn á byrjunarstigi og verður að sigrast á mikilvægum áskorunum áður en markaðssetning getur átt sér stað, svo sem lítil skilvirkni í-umbreytingu þeirra í-vetni, niðurbrot á efnum sem notuð eru til að búa til PEC frumur og sveigjanleika frammistöðu. Þannig eru áframhaldandi rannsóknir gerðar á háþróuðum efnum og nanóskipuðum ljósrafskautum sem eru hönnuð til að takast á við þessi vandamál.

Ein af skapandi leiðunum til að gera þetta er að nota hálfleiðara efni á nanóskala (einnig kallað skammtapunktar) dreift í vatnskenndan miðil sem ljóshvata. Við lýsingu með sólarljósi framleiða þeir rafeindir (og göt) sem geta flutt til viðmóts ögnarinnar og komið af stað viðkomandi oxunar- og minnkunarhálfhvörfum sem vísað er til sem vetnisþróun og súrefnisþróun í sömu röð.

Ljóshvatakerfið með einni ögnum, eða eins-örvunarkerfi, krefst þess að bandbil hálfleiðarans liggi á milli bæði vetnisþróunargetu og súrefnisþróunargetu. Það er líka til tveggja-ljóshvatakerfi eða "Z-skema" ljóshvatastillingar þar sem tveir mismunandi ljóshvatar eru tengdir saman með efnamiðli (þ.e. redoxpari) þannig að vatnsklofin á sér stað í tveimur aðskildum þrepum eða hálfhvörfum. Þetta dregur verulega úr orkunni sem þarf fyrir hvert hvarf, en gerir kleift að nýta meira úrval af sýnilegu ljósi.

Nýlegar byltingar sýna möguleika þessarar aðferðar. Kínverskt rannsóknarteymi undir forystu Liu Gang hjá Málmrannsóknastofnuninni bætti títantvíoxíð-lykilljóshvataefnið-með því að bæta við skandíum með „skipulagsbreytingu“ og „skiptiþáttum frumefna“. Skandíumjónirnar passa vel inn í grindurnar í efninu, fjarlægja „gildrusvæði“ sem venjulega festa rafeindir og móta kristalsyfirborðið til að mynda „rafrænar hraðbrautir“ sem leiðbeina hleðsluberum á skilvirkan hátt.

Auka efnið notar yfir 30% af útfjólubláu ljósi og nær vetnisframleiðsluhraða undir hermdu sólarljósi sem er 15 sinnum hærra en fyrri útgáfur. Samkvæmt rannsóknarhópnum gæti eins-fermetra-metra ljóshvataborð framleitt um 10 lítra af vetni á dag undir sólarljósi.

Þó að agnaljóshvati sé enn á rannsóknarstofunni eru möguleikar þess á stórum-uppsetningum sannfærandi. Ljóshvatar í dufti-formi eru einfaldari í meðhöndlun og auðveldari að dreifa þeim yfir stór svæði með því að nota hugsanlega ódýra ferla samanborið við PV-rafgreiningu eða PEC kerfi.

Concentrated Solar Power (CSP) tekur í grundvallaratriðum mismunandi nálgun til að beisla sólina. Í stað þess að breyta ljósi beint í rafmagn notar CSP spegla til að einbeita sólarljósi, mynda háan-hita og keyra síðan hefðbundna hverfla til að framleiða rafmagn.

Grundvallarhugmyndin er mjög einföld. Heliostatar, eða uppröðun spegla, fylgja daglegu ferli sólarinnar og endurvarpa geislum sólarinnar til safnara sem staðsettur er efst á turni. Þessi styrkur sólarljóss er notaður til að hita vinnuvökva upp í mjög háan hita og þegar hitinn hefur myndast er hitaði vinnuvökvinn notaður til að mynda gufu sem mun snúa túrbínu sem knýr rafalinn.

Hæfni til að fella varmaorkugeymslu inn í CSP kerfi er það sem gerir CSP slíkt gildi. Hitann sem myndast við samþjöppun sólargeislanna er hægt að fanga og geyma í klukkustundir, sem þýðir að raforkuframleiðsla frá CSP kerfinu getur átt sér stað löngu eftir sólsetur. Sendingarhluti CSP-þ.e. þegar þú þarft rafmagn geturðu framleitt það-er það sem aðgreinir CSP frá PV sólkerfum, sem hætta að framleiða rafmagn þegar það byrjar að skýjast yfir eða á nóttunni.

Tæknin sem er efst í pýramídanum eins og er (Gemasolar á Spáni, Crescent Dunes í Nevada og Noor III) er með fljótandi bráðnu salti sem er notað ekki bara til að flytja hita, heldur einnig til að geyma orku. Öll þrjú kerfin hafa með góðum árangri sýnt fram á getu til að starfa samfellt í heila 24 klukkustundir á meðan viðhalda meira en 15 klukkustunda orkugeymslu með fljótandi bráðnu salti einum saman.

Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) forrit bandaríska orkumálaráðuneytisins mun auka þessa tækni umfram núverandi CSP kerfi á viðskiptastigi. Ein af hönnunaraðferðunum sem verið er að skoða undir CSP Gen3 forritinu er „Liquid Pathway“ kerfið, sem notar tiltölulega ódýran -fljótandi klóríð sem orkugeymslu, og fljótandi natríummóttakara við u.þ.b. 740oC til að flytja varma til yfirkritísks koltvísýrings (sCO2) aflhringrásarinnar. Öll sCO2 aflhringrásin mun einnig virka með meiri skilvirkni en hefðbundnar gufu Rankine gerð hringrás, eins og heilbrigður.

Þetta táknar verulega framfarir frá núverandi verksmiðjum, sem venjulega starfa við um 565 gráður með nítratsöltum. Hærra rekstrarhitastig gerir meiri skilvirkni og lækkar jöfnuð orkukostnað-Gen3 markmiðið er undir $60 á megavatt-stundu.

Tveggja -geyma bráðið saltkerfi gerir rekstraraðilum kleift að dreifa salti í gegnum sólarmóttakara til að hlaða (hita "heita" tankinn) og síðan í gegnum varmaskipti til að mynda gufu þegar losun er nauðsynleg. Hitaskilvirkni geymslunnar sjálfrar er mikil-og geymir varma í einangruðum tönkum yfir 90% nýtni fyrir daglegar lotur.

Skilvirkni -fram og til baka fyrir rafgeymsla stendur frammi fyrir grundvallartakmörkunum. Með því að breyta varma aftur í rafmagn í gegnum gufuhverfla er venjulega aðeins náð 35-42% varmanýtni. Jafnvel háþróaðar yfirkritískar CO2 hverfla eiga í erfiðleikum með að fara yfir 50%. Til samanburðar fara litíum-rafhlöður venjulega yfir 85% skilvirkni fram og til baka.

Þessi skilvirkni refsing þýðir að CSP hentar best fyrir forrit þar sem verðmæti varmageymslunnar-langur endingartími, lítill kostnaður á hverja kílóvattstund-geymslu og hæfileikinn til að veita samstillta framleiðslu-vegur þyngra en viðskiptatapið. Fyrir geymslu á neti-kvarða sem endist í 6-12 klukkustundir getur hagkvæmnin samt virkað.

Þróun endurnýjanlegra orkugjafa til að framleiða rafmagn, framlag CSP til kolefnislosunar iðnaðarferla og sköpun varmageymslu hefur allt gert CSP kleift að veita þjónustu umfram raforku. Mörg iðnaðarferli krefjast stöðugrar,-framboðs á gufu eða beinum hita innan hitastigs á bilinu 300 til 550 gráður á Celsíus, sem felur í sér ferla eins og pappírsframleiðslu, olíuhreinsun og efnavinnslu.

Með því að nota mjög stórar-varmaorkugeymslukerfi fyrir bráðið salt, geta CSPs náð þessu markmiði með því að útvega vinnslugufu og/eða ofurhitaloft fyrir iðnaðarnotkun eins og krafist er í rauntíma-. Mikil afkastageta þessara bráðnu-saltvarmaorkugeymslukerfa býður einnig upp á mjög-hagkvæman valkost við rafefna rafhlöður, sem kostar minna en $35 á hverja kílóvatt-stund (kWst) af nothæfri varmaorkugeymslu.

Það eru til viðbótaraðferðir til að nýta orku sólarinnar, þar á meðal sólvetnisframleiðsla og einbeitt sólarorka (CSP). Orku sólarinnar er breytt í efnaeldsneyti (vetni) með rafgreiningu (PV) og ljóshvatakerfi sem hægt er að geyma endalaust. Vetni er hægt að nota til flutninga, iðnaðar og raforkuframleiðslu. Að öðrum kosti notar CSP sólarljós til að mynda hita. CSP breytir síðan þeirri varmaorku í rafmagn til sendingar (fyrir skipulega) afhendingu.

Örar framfarir í báðum tækninni eiga sér stað. Aukin skilvirkni sólar-í-vetnisbreytingar stafar af bættum efnum og kerfissamþættingu; CSP heldur áfram að þrýsta á hærra rekstrarhitastig og lægri kostnað. Þegar þau eru sameinuð, leyfa PV rafgreining og CSP sólarorku-knúinn heimi þar sem sólin veitir ekki aðeins orku þar sem þess er þörf heldur framleiðir einnig-geymt form eldsneytis sem er auðvelt að geyma til að veita orku á annatíma yfir daginn.

Jörðin fær gríðarlegt framboð af orku frá sólinni. Þetta jafngildir nokkurn veginn því að 173 billjón wött (1 billjón=1.000.000.000.000) slá jörðina á hverri sekúndu. Áskoranir og tækifæri fyrir verkfræðinga fela í sér að finna leiðir til að nýta margar stillingar til að fanga þetta mikla framboð af orku frá sólinni.