Du saulės keliai į energiją: supratimas apie saulės vandenilio gamybą ir koncentruotą saulės energiją

Nors dauguma žmonių galvoja apie saulės energiją kaip per fotovoltines plokštes, naudojančias saulės šviesą energijai gauti; yra daug daugiau būdų, kaip gauti vertę per saulę, nei tik fotovoltinės plokštės. Pavyzdžiui, galite naudoti saulę švariam vandenilio kurui gaminti ir naudingos-skalės energijos generavimui per šilumą. Yra keletas įdomių naujų technologijų, kurios skatina saulės energiją: vandenilis iš saulės energijos šaltinių ir koncentruota saulės energija (CSP).

Vandenilis yra žinomas kaip „rytojaus kuras“ dėl kelių priežasčių. Vandenilio energijos kiekis yra apytiksliai 142 MJ/kg, o jei kuro elemente naudojate vandenilį, išmetamas tik vanduo. Tačiau švariai gaminti didelius vandenilio degalų kiekius vis dar yra pagrindinis vandenilio gamybos iššūkis. Vienas iš būdų išspręsti šią problemą yra naudoti saulės šviesą vandeniui skaidyti kaip vandenilio gamybos priemonę, nes šis procesas neišskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Yra trys pagrindiniai vandenilio gamybos iš saulės energijos tipai, kurie šiuo metu yra skirtingo brandumo lygio:

Pirmojoje technologijoje (labiausiai subrendusioje) naudojamos fotovoltinės (PV) plokštės, sujungtos su elektrolizatoriais. Elektrolizatoriai yra elektriniai prietaisai, kurie ima elektros energiją ir paverčia vandenį vandeniliu ir deguonimi, naudodami šilumos ir šilumos perdavimą. PV sistemos yra labiausiai išvystytos ir lengvai prieinamos; PV sistemos yra labai modulinės ir patikimos; sujungus PV ir elektrolizatorių be jokių galios konvertavimo įrenginių, visos sistemos STH konversijos efektyvumas priartėjo prie teorinės ribos.

Tyrimai rodo, kad koncentruotos PV sistemos gerokai lenkia įprastines. Naudodami InGaP/GaAs/Ge ląsteles esant 750 saulės koncentracijos, mokslininkai pasiekė 18–21 % STH efektyvumą, o 0,8–1,0 litro vandenilio per minutę vienam modulio ploto kvadratiniam metrui gamybos sparta. Palyginimui, įprasti silicio moduliai po viena saule pasiekė tik apie 9,4% STH efektyvumą, o gamybos greitis buvo apie 0,3 l/min·m². Tai reiškia 1,5–3 kartų didesnį koncentruotų sistemų veikimo pranašumą.

Vandens elektrolizės efektyvumas yra 70–80 %, todėl ši galimybė yra patrauklesnė, kai atsižvelgiama į būsimas atsinaujinančios energijos kainas. Vienintelis didelis iššūkis šiuo metu yra didelė elektrolizatorių kaina ir saulės spinduliuotės nenuspėjamumas, todėl reikia kruopščiai integruoti į sistemą.

Fotoelektrocheminėse (PEC) sistemose naudojamas labiau integruotas požiūris nei ankstesni vandens elektrolizės metodai, pirmiausia generuojant elektros energiją, o vėliau naudojant tą energiją vandenilio gamybai iš vandens. PEC naudojamos puslaidininkinės medžiagos, panardintos į vandenį, kurios gali sugerti saulės šviesą ir tiesiogiai paversti ją energija kaupti chemiškai vandenilio pavidalu per vandens elektrolizę. Tai atsitinka, kai šviesa patenka į puslaidininkį ir sukuria elektronų / skylių poras. Puslaidininkiniame mechanizme esantys elektronai redukuoja protonus, sudarydami vandenilį; susidariusios skylės oksiduos vandens molekules, gaminančias deguonį.

Pirmą kartą PEC maždaug prieš 50 metų ištyrė Shinichiro Fujishima ir Honda, kai jie nustatė, kad titano dioksido (TiO2) elektrodas gali padalyti H2O į H2 ir O2, kai jis buvo sujungtas su platinos katodu / lydiniu ir apšviestas UV šviesa. (Tai vadinama „Honda-Fudžišimos efektu“)

Šiuo metu PEC sistemos turi patrauklų, kompaktišką dizainą su galimybe pasiekti tiesioginį saulės{0}}į-vandenilio konversiją naudojant paprastą ir elegantišką mechanizmą. Nepaisant šių teigiamų dizaino ypatybių, PEC technologija vis dar yra gana ankstyvoje stadijoje ir turi įveikti kai kuriuos svarbius iššūkius, kad būtų galima pradėti komercializuoti, pvz., mažą saulės energijos -į-vandenilio konversijos efektyvumą, medžiagų, naudojamų PEC elementams kurti, degradaciją ir našumo mastelį. Taigi šiuo metu atliekami pažangių medžiagų ir nanostruktūrinių fotoelektrodų, skirtų šioms problemoms spręsti, tyrimai.

Vienas iš kūrybiškesnių būdų tai padaryti yra panaudoti nanoskalės dydžio puslaidininkines medžiagas (taip pat vadinamas kvantiniais taškais), disperguotas vandeninėje terpėje kaip fotokatalizatorius. Apšviesti saulės šviesa jie gamina elektronus (ir skylutes), kurie gali migruoti į dalelės sąsają ir inicijuoti atitinkamas oksidacijos ir redukcijos pusines reakcijas, atitinkamai vadinamas vandenilio išsiskyrimu ir deguonies išsiskyrimu.

Vienos dalelės fotokatalizatoriaus sistema arba vieno{0}}pakopio sužadinimo sistema reikalauja, kad puslaidininkio juostos tarpas apimtų ir vandenilio išsiskyrimo potencialą, ir deguonies išsiskyrimo potencialą. Taip pat yra dviejų-dalių fotokatalizatoriaus sistema arba „Z-schemos“ fotokatalizatoriaus konfigūracija, kai du skirtingi fotokatalizatoriai sujungiami cheminiu tarpininku (ty redokso pora), kad vanduo suskaidomas dviem skirtingais etapais arba pusiau reakcijomis. Tai žymiai sumažina kiekvienai reakcijai reikalingą energiją ir leidžia panaudoti didesnę matomos šviesos įvairovę.

Naujausi laimėjimai parodo šio požiūrio potencialą. Kinijos tyrimų grupė, vadovaujama Liu Gango iš Metalų tyrimų instituto, padidino titano dioksidą -pagrindinę fotokatalizinę medžiagą-, pridėdama skandžio per „struktūrinį pertvarkymą“ ir „elementų pakeitimą“. Skandio jonai sklandžiai įsilieja į medžiagos gardelę, pašalindami „spąstų zonas“, kurios paprastai sulaiko elektronus, ir pertvarko kristalo paviršių, kad susidarytų „elektroniniai greitkeliai“, kurie efektyviai nukreipia krūvininkus.

Patobulintoje medžiagoje sunaudojama daugiau nei 30 % ultravioletinių spindulių, o vandenilio gamybos greitis imituojamoje saulės šviesoje yra 15 kartų didesnis nei ankstesnėse versijose. Tyrėjų komandos teigimu, vieno -kvadratinio- metro fotokatalizinis skydas saulės šviesoje galėtų pagaminti apie 10 litrų vandenilio per dieną.

Nors kietųjų dalelių fotokatalizė tebėra laboratorijoje, jos potencialas plataus masto{0}}diegimui yra įtikinamas. Miltelių -formos fotokatalizatorius yra lengviau valdyti ir juos lengviau paskleisti dideliuose plotuose naudojant galimai nebrangius procesus, palyginti su PV-elektrolizės ar PEC sistemomis.

Koncentruota saulės energija (CSP) iš esmės skiriasi nuo saulės panaudojimo. Užuot pavertęs šviesą tiesiai į elektrą, CSP naudoja veidrodžius saulės šviesai sutelkti, aukštos temperatūros šilumai generuoti, o tada elektrai gaminti naudoja įprastas turbinas.

Pagrindinė koncepcija yra labai paprasta. Heliostatai arba veidrodžių išdėstymai seka kasdienį Saulės kursą ir atspindi saulės spindulius į kolektorių, esantį bokšto viršuje. Ši saulės spindulių koncentracija naudojama darbiniam skysčiui pašildyti iki labai aukštų temperatūrų, o kai šiluma pagaminama, šildomas darbinis skystis naudojamas garui generuoti, kuris suks generatorių varantį turbiną.

Galimybė įtraukti šiluminės energijos saugojimą į CSP sistemą daro CSP tokią vertę. Šiluma, pagaminta koncentruojant Saulės spindulius, gali būti užfiksuota ir saugoma valandų valandas, o tai reiškia, kad elektros energija iš CSP sistemos gali vykti dar ilgai po saulėlydžio. Išsiunčiamas CSP aspektas, -ty kai jums reikia elektros, galite ją gaminti-, tuo CSP skiriasi nuo PV saulės sistemų, kurios nustoja gaminti elektros energiją, kai pradeda debesuoti arba naktį.

Šiuo metu piramidės viršuje randama technologija (Gemasolar Ispanijoje, Crescent Dunes Nevadoje ir Noor III) pasižymi skysta išlydyta druska, naudojama ne tik šilumos perdavimui, bet ir energijos kaupimui. Visos trys sistemos sėkmingai pademonstravo gebėjimą nepertraukiamai veikti visas 24 valandas, išlaikant daugiau nei 15 valandų energijos kaupimą vien tik su skystomis išlydytomis druskomis.

JAV Energetikos departamento koncentruotos saulės energijos generavimo 3 (CSP Gen3) programa patobulins šią technologiją už esamas komercinio lygio CSP sistemas. Vienas iš projektavimo metodų, tiriamų pagal CSP Gen3 programą, yra „Liquid Pathway“ sistema, kuri naudoja santykinai pigius skystus chloridus kaip energijos kaupiklį ir skysto natrio imtuvą, kurio temperatūra yra maždaug 740 oC, kad šiluma būtų perduodama į superkritinio anglies dioksido (sCO2) energijos ciklą. Visas sCO2 galios ciklas taip pat veiks efektyviau nei tradiciniai garo Rankine tipo ciklai.

Tai yra didelis pažanga, palyginti su dabartinėmis gamyklomis, kurios paprastai veikia maždaug 565 laipsnių kampu, naudojant nitratų druskas. Aukštesnė darbo temperatūra užtikrina didesnį efektyvumą ir sumažina išlygintas energijos sąnaudas-Gen3 tikslas yra mažesnis nei 60 USD už megavatą{5}}.

Dviejų talpyklų išlydytos druskos sistema leidžia operatoriams cirkuliuoti druską per saulės kolektorių imtuvus, kad būtų galima įkrauti (šildyti „karštą“ baką), o tada per šilumokaičius generuoti garą, kai reikia išpilti. Pačios saugyklos šiluminis efektyvumas yra didelis-šilumos kaupimas izoliuotose talpyklose viršija 90 % efektyvumą kasdieniams ciklams.

Tačiau elektros energijos kaupimo{0}}kelionės efektyvumas susiduria su esminiu apribojimu. Šilumą paverčiant atgal į elektrą per garo turbinas paprastai pasiekiamas tik 35-42 % šiluminis efektyvumas. Net pažangios superkritinės CO2 turbinos stengiasi viršyti 50 %. Palyginimui, ličio{9}}jonų baterijos paprastai viršija 85 % efektyvumą.

Ši efektyvumo nuobauda reiškia, kad CSP geriausiai tinka programoms, kuriose šiluminės saugyklos vertė-ilga trukmė, maža kaina už kilovatą-saugojimo valandą ir galimybė teikti sinchroninį generavimą-atsveria konversijų nuostolius. Jei tinklelio-masto saugojimas trunka 6–12 valandų, ekonomika vis tiek gali veikti.

Atsinaujinančių energijos šaltinių kūrimas elektrai gaminti, CSP indėlis į pramonės procesų dekarbonizaciją ir šiluminės saugyklos sukūrimas leido CSP teikti ne tik elektros energijos paslaugas. Daugeliui pramoninių procesų reikalingas nepertraukiamas, -pagal poreikį tiekiamas garas arba tiesioginė šiluma, kurios temperatūra yra nuo 300 iki 550 laipsnių Celsijaus, įskaitant tokius procesus kaip popieriaus gamyba, naftos perdirbimas ir cheminis apdorojimas.

Naudodami labai didelės apimties išlydytos druskos šiluminės energijos kaupimo sistemas, CSP gali pasiekti šį tikslą tiekdami procesų garus ir (arba) perkaitintą orą pramoninėms reikmėms realiuoju laiku{1}}. Didelė šių išlydytos-druskos šiluminės energijos kaupimo sistemų talpa taip pat yra labai ekonomiška-efektyvi alternatyva elektrocheminių medžiagų akumuliatoriams, kurių kaina yra mažesnė nei 35 USD už kilovat-valandą (kWh) naudingos šiluminės energijos kaupimo.

Yra papildomų saulės energijos panaudojimo būdų, įskaitant saulės vandenilio gamybą ir koncentruotą saulės energiją (CSP). Saulės energija paverčiama cheminiu kuru (vandeniliu) fotovoltinės (PV) elektrolizės ir fotokatalizės sistemose, kurios gali būti saugomos neribotą laiką. Vandenilis gali būti naudojamas transportui, pramonei ir elektros gamybai. Arba CSP naudoja saulės šviesą šilumai generuoti. Tada CSP paverčia šią šiluminę energiją elektra, kad būtų galima išsiųsti (tvarkingai).

Sparti abiejų technologijų pažanga. Padidėjęs saulės energijos-į-vandenilio konversijos efektyvumas yra patobulintų medžiagų ir sistemų integravimo rezultatas; CSP ir toliau siekia aukštesnės darbinės temperatūros ir mažesnių sąnaudų. Sujungus PV elektrolizę ir CSP, sukuriamas saulės energija varomas pasaulis, kuriame saulė ne tik tiekia energiją, kur reikia, bet ir gamina lengvai-saugomą kurą, kad būtų aprūpinama energija ne-piko laikotarpiais visą dieną.

Žemė gauna didžiulį energijos tiekimą iš saulės. Tai apytiksliai atitinka 173 trilijonus vatų (1 trilijoną=1 000 000 000 000) kas sekundę. Inžinierių iššūkiai ir galimybės apima būdų, kaip panaudoti kelis režimus, kad gautų šį didžiulį saulės energijos tiekimą.