الجمع بين الطاقة الشمسية والتخزين الحراري لتجنب إهدار الطاقة

تشتهر أستراليا بمناخها الحار والمشمس ، مع رؤية أجزاء من البلاد ما معدله 10 ساعات من أشعة الشمس في اليوم - مقارنة بأربع ساعات متواضعة بالنسبة لنا في المملكة المتحدة. ربما ليس من المستغرب إذن أن تكون الطاقة الشمسية في عام 2021 أكبر مصدر للطاقة المتجددة في أستراليا. ومع ذلك ، لا يزال يتكون فقط 12٪ من إجمالي توليد الطاقة في البلاد (شكلت مصادر الطاقة المتجددة ككل 29٪).

فكيف يمكننا زيادة نسبة الكهرباء التي تولدها الخلايا الشمسية؟ هل الأمر يتعلق ببساطة بخفض تكلفة الألواح الكهروضوئية وزيادة توافرها؟ لسوء الحظ ، لا - الواقع أكثر دقة.

تعتبر مزارع الطاقة الشمسية أكثر إنتاجية في المواقع التي تنبض فيها الشمس بقوة يومًا بعد يوم ، مثل أستراليا وجنوب غرب الولايات المتحدة. ولكن في مثل هذه الأماكن ، يتم توليد قدر كبير من الطاقة خلال منتصف النهار ، وفي بعض الأحيان يكون هناك الكثير. ثم يتعين على مالكي مزارع الطاقة الشمسية أن يدفعوا لشبكة الكهرباء لسحب الطاقة الإضافية. وإذا كانت الشبكة لا تريد ذلك ، فستضطر المزارع إلى تقليل إنتاجها أو حتى إيقاف التوليد بالكامل.

لمعالجة هذه الحالة الجنونية ، بدأت أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة الجديدة بالظهور في هذه المواقع ، حيث تجمع بين توليد الكهرباء وشكل من أشكال تخزين الطاقة ، بحيث لا تتلقى الشبكة الطاقة إلا عند الحاجة إليها. ومع ذلك ، على الرغم من وجود خيارات تخزين متنوعة ، إلا أن لكل منها قيودًا. بطاريات الليثيوم أيون ، على سبيل المثال ، تكلف حوالي خمسة أضعاف تكلفة الألواح الشمسية ويتدهور أداؤها بمرور الوقت. في مخططات الطاقة الكهرومائية ، سيتم استخدام الكهرباء الزائدة لضخ المياه إلى أرض مرتفعة ، وبالتالي تحويل الطاقة الكهربائية من الخلايا الشمسية إلى طاقة كامنة يمكن تحويلها مرة أخرى عند الحاجة. لكن هذا الإعداد يتطلب مواقع جبلية ، وهي غير متوافقة مع مزارع الطاقة الشمسية لأنها عرضة للسحب والمطر. كما أن تشييد محطة للطاقة الشمسية في منطقة قاحلة أمر باهظ التكلفة وربطها بمشروع طاقة مائية عبر خطوط نقل كهربائية.

أحد البدائل لهذه المعضلة هو تكنولوجيا معلقة ببراءة اختراع تقوم بتطويرها الشركة الأسترالية RayGen. من خلال إقران الخلايا الشمسية مع التخزين الحراري المعتمد على الماء ، تقدم هذه الشركة التي تتخذ من ملبورن مقراً لها ما تدعي أنه نظام تنافسي من حيث التكلفة يلبي احتياجات مشغلي الشبكة.

ليس فقط الطاقة الشمسية

يتكون نظام RayGen من مراحل وتقنيات متعددة (الشكل 1). أولاً ، تقوم سلسلة من المرايا بتركيز ضوء الشمس على مجموعة من الخلايا الشمسية أعلى برج استقبال. تقوم هذه الخلايا بتحويل الأشعة إلى كهرباء ، والتي يتم تغذيتها في الشبكة ، تمامًا كما هو الحال في مزرعة الطاقة الشمسية التقليدية. على الرغم من أن الضوء المركّز يتسبب في زيادة درجة حرارة الخلايا ، إلا أن تدفق الماء البارد يمنعها من ارتفاع درجة حرارتها وتصبح غير فعالة. يتم نقل الحرارة الموجودة الآن في دائرة التبريد عبر التبادل الحراري إلى نظام ثانوي يتدفق إلى خزان مياه تحت الأرض معزول حرارياً عند درجة حرارة 90 درجة مئوية.

عندما تحتاج الشبكة إلى كهرباء إضافية ، فإن هذا المخزن الحراري ، جنبًا إلى جنب مع خزان الماء البارد ، يقود محرك دورة رانكين العضوي (ORC) ، حيث يقوم الماء الساخن بتبخير الأمونيا التي تحول التوربينات لتوليد الكهرباء. ثم يتم تبريد الأمونيا وإعادة تكثيفها بواسطة الماء البارد لتستمر في الدورة مرة أخرى. في الأيام التي توجد فيها كمية زائدة من الطاقة الشمسية ، يمكن لتلك الكهرباء أن تعزز سعة تخزين الطاقة للقسم الحراري للنظام.

تدعي شركة RayGen أن تكلفة هذا النظام منخفضة لأنها تعتمد على العديد من التقنيات المتجددة الراسخة - من تخزين الطاقة الحرارية القائمة على الحفرة إلى الخلايا الكهروضوئية والتوربينات القائمة على الأمونيا - وبالتالي يمكنها المنافسة في السوق. "فيما يتعلق بالجانب الشمسي ، يمكن مقارنة التكلفة بالخلايا الكهروضوئية على نطاق المرافق على أساس الدولار لكل واط" ، كما يقول كيرا رونديل، المدير التجاري لشركة RayGen. "من ناحية التخزين ، إنه مشابه لضخ الطاقة المائية. وفيما يتعلق بتكلفة تخزين الطاقة ، لأننا نستخدم المياه فقط ، فهي تشبه الطاقة المائية. "

تشغيل اختبار التكنولوجيا

لقد أوشك RayGen على الانتهاء من تكليفه أول محطة لتوليد الكهرباء، على بعد حوالي ست ساعات بالسيارة من ملبورن ، بالقرب من مكان يسمى Carwarp. تم تركيب العديد من مزارع الطاقة الشمسية في هذه المنطقة بحيث يمكن أن يكون هناك فائض في الإمداد بالشبكة في يوم مشمس ، مما يمنح RayGen الفرصة لعرض أوراق اعتمادها. في هذا الموقع ، شيدت الشركة أربعة من أنظمة 1 ميغاواط ، جالسة جنبًا إلى جنب. بالإضافة إلى توليد ما يصل إلى 4 ميجاوات من الكهرباء من الخلايا الشمسية ، فإن هذه المنشأة لديها سعة تخزين 50 ميجاوات في الساعة ، ويمكنها توصيل 3 ميجاوات إلى الشبكة لمدة 17 ساعة عبر توربينات ORC.

يتميز كل نظام بقدرة 1 ميغاواط بحقل ما يقرب من 300 مرآة "ذكية" ، مرتبة حول جهاز استقبال ضوئي مركب على برج. المرايا قادرة على تتبع موقع الشمس خلال النهار ، وتوجيه الضوء إلى البرج من الفجر إلى الغسق وتركيز الأشعة بمعامل 750. بالإضافة إلى تقليل عدد الخلايا الكهروضوئية اللازمة ، وبالتالي تقليل التكلفة ، يؤدي تضخيم شدة ضوء الشمس على جهاز الاستقبال أيضًا إلى زيادة قيمة في الكفاءة.

تبلغ مساحة جهاز الاستقبال نفسه 4.41 م² منطقة نشطة تضم 441 وحدة شمسية ، حجم كل منها 10 × 10 سم ومليئة بالفئة الأكثر كفاءة من الخلايا الشمسية المتاحة تجاريًا. تستخدم على نطاق واسع لتشغيل الأقمار الصناعية - وهو تطبيق يتم فيه تقدير الكفاءة العالية والمتانة للإشعاع - هذه الخلايا المعينة مصنوعة من عدة مواد شبه موصلة ، بما فيها الجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم الغاليوم ، لذلك لديهم عدة تقاطعات p-n. نظرًا لأن كل تقاطع له ملف امتصاص مختلف ، يمكن للخلايا التقاط معظم طيف الشمس الكامل - الذي يمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء - حيث تلتقط ضعف كمية ضوء الشمس مثل السيليكون التقليدي ، وتحولها بكفاءة إلى كهرباء.

مع إعداد RayGen ، تبلغ كفاءة الخلايا لتوليد الكهرباء حوالي 38٪ ، بينما تزيد عن 35٪ للوحدات النمطية ، وكفاءة المستقبِل اسميًا 32٪ (الرقم الدقيق يعتمد على ظروف التشغيل). وبالمقارنة ، فإن الخلايا المصنوعة من السيليكون التقليدي تتمتع بكفاءة نمطية تبلغ حوالي 18-20٪. في حين أن مثل هذه الخلايا المصنوعة من السيليكون ستوفر المال ، إلا أنها ستكون اقتصادًا مزيفًا وفقًا لرئيس الأبحاث في RayGen ، جون لاسيش. يجادل بأن هذا المكسب الأولي في التكلفة سيطغى عليه خفض كبير لتوليد الطاقة الكهربائية ونسبة أقل من توليد الكهرباء إلى الحرارة.

دور الماء

تدعي RayGen أيضًا أن تقنيتها تعالج نقطة ضعف رئيسية في جميع الأنظمة الكهروضوئية التقليدية. حتى أولئك الذين يستخدمون أفضل الأجهزة يهدرون الكثير من الطاقة العارضة للشمس على شكل حرارة ، مما يرفع أيضًا درجة حرارة الخلية ويضعف كفاءتها. ومع ذلك ، يتم استخدام هذه الحرارة الزائدة في نظام RayGen.

في كل جهاز استقبال ، يتم استخدام الماء لتبريد الخلايا الكهروضوئية. يتم ضخها إلى أعلى البرج ، من خلال الجزء الخلفي من الوحدات والعودة إلى القاعدة ، حيث يقوم المبادل الحراري بنقل الطاقة الحرارية إلى نظام ثانوي. يمكن بعد ذلك ضخ الماء المعاد تبريده في الدائرة الأولية إلى أعلى البرج لإعادة استخدامه.

يتدفق النظام الثانوي إلى الخزان الساخن ، والذي يبلغ مساحته 17,000 متر مربع في كاروارب³ حفرة تحتوي على ماء 90 درجة مئوية. الحفرة مبطنة ببوليمر ، معزول ومحكم الإغلاق ، مما يعني أنه - بفضل نسبة السطح إلى الحجم المنخفضة جدًا - يتم فقد القليل جدًا من الطاقة. يقول لاسيش: "إذا فكرت في الأمر على أنه بطارية ، فإن التفريغ الذاتي يكون أقل من جزء من نسبة مئوية على مدى عدة أسابيع".

عندما تحتاج الشبكة إلى الطاقة ولا تشرق الشمس ، فإن الحرارة المنبعثة من هذه الحفرة تدفع توربين ORC. نظرًا لأن الأمونيا هي سائل العمل في نظام الحلقة المغلقة هذا ، فيجب تبريدها وإعادة تكثيفها بعد مرورها عبر التوربين ، ويتم ذلك باستخدام 17,000 مترًا ثانيًا.³ حفرة في درجة حرارة منخفضة. في الأماكن الحارة والمشمسة ، مثل ضواحي كاروارب ، يمكن أن تصل درجة حرارة هذه الحفرة إلى 40 درجة مئوية أو أكثر إذا لم يتم تبريدها يدويًا. نظرًا لأن هذا أقل بمقدار 50 درجة مئوية فقط من الحفرة الأكثر سخونة ، فإن كفاءة توليد الكهرباء من توربين ORC لن تزيد عن حوالي 5٪. ولزيادة ذلك إلى 12-15٪ ، تقوم RayGen بتبريد حفرة الماء البارد إلى ما يقرب من التجمد باستخدام مبرد صناعي ، مما يخلق فرقًا في درجة الحرارة يبلغ حوالي 90 درجة مئوية بين جسمين مائيين ضخمين. يقول لاسيش: "هذا يعادل تركيبًا مائيًا بسدين برأس 1000 متر".

في حين أن كفاءة 12-15٪ لتوليد الطاقة من التوربينات ليست عالية ، لا يتم استهلاك الكهرباء في تسخين المياه حتى 90 درجة مئوية. يتم استخدام الكهرباء فقط لتبريد الحفرة الباردة ، ولكل 1 ميجاوات ساعة مستخدمة لهذا الغرض ، يتم استرداد 0.7–0.8 ميجاوات ساعة عند تشغيل التوربين. يُمكِّن تبريد الحفرة الثانية نظام تخزين الطاقة في RayGen من التصرف تمامًا مثل بطارية عملاقة ، وفقًا لما ذكره لاسيش. عندما تحتوي الشبكة على أكثر من طاقة كافية ، يمكن استخدام أي فائض لتشغيل المبرد ، والذي يمكن أيضًا تشغيله بالكهرباء من خلايا RayGen الشمسية متعددة الوصلات.

الأوقات المشمسة المقبلة؟

يقول جيف دوغان ، الذي كان كبير المسؤولين التقنيين في شركة Fullsun Photovoltaics Limited: "يعد نظام RayGen استغلالًا مثيرًا للاهتمام لتقنية المركّز الكهروضوئية (CPV) ، كما أن عنصر التخزين الذي يستخدم الماء من تبريد الخلايا يعد إضافة ممتازة لتوليد الكهرباء وحده". في المملكة المتحدة ، قبل أن يتم تصفيتها وتم حلها في عام 2022. ومع ذلك ، فهو غير مقتنع بأن هذا النهج الجديد سيعيد النظر في الاهتمام بأنظمة الأنظمة الفولت ضوئية المركزة. "لقد كان دائمًا ما تلازمه التكاليف وعدم القدرة على التوسع في القدرات حيث سيتم تخفيض التكاليف بشكل كبير."

من الواضح أن RayGen أكثر تفاؤلاً بشأن التكنولوجيا ، وتقول أيضًا إن العملاء الذين يطلبون نظام RayGen سيكونون قادرين على تحقيق دخل من عدد من تدفقات الإيرادات المختلفة. بالإضافة إلى الدفع مقابل تصدير الكهرباء ، تأتي المدفوعات الإضافية من مجرد القدرة على تزويد الشبكة بسعة إضافية ، حتى لو لم يتم استخدامها. علاوة على ذلك ، هناك فرصة لتحقيق الإيرادات من سوق الخدمات الإضافية للترددات ، لأن النظام الشمسي والحراري المشترك يمكن أن يستجيب في غضون ثوانٍ لمتطلبات الشبكة. يعتقد Rundel أن نظام RayGen "يقدم مشاريع تجارية مربحة وجذابة ، جنبًا إلى جنب مع شركائنا الاستراتيجيين".

بالإضافة إلى التوقيع على مشروع 4 ميجاوات بالقرب من Carwarp ، تقوم RayGen بتجميع خط إنتاج لتصنيع وحداتها. وتأمل أن يتمكن العدد الإجمالي للوحدات التي يتم إنتاجها كل عام من توليد 170 ميجاوات من الطاقة. مع استمرار نمو عدد المشاريع قيد الإعداد ، سيتم توسيع هذا الخط إلى نطاق أكبر.

ستحتاج المشاريع الأكبر أيضًا إلى أنظمة أكبر. على سبيل المثال ، سيتم توسيع نطاق الحفر الخاصة بالمشاريع المستقبلية الأكبر بما يتماشى مع سعة ORC المتزايدة ، للاستمرار في توفير تخزين لمدة 12-24 ساعة. تتوقع RayGen أن حجم الحفر بهذا المقياس يتراوح بين 150,000 و 250,000 متر مربع³، اعتمادًا على مدة التخزين المطلوبة لمشروع معين. شريك واحد، طاقة الفوتون، حصلت بالفعل على أرض في جنوب أستراليا لمنشأة ستجمع بين 300 ميجاوات من الطاقة الشمسية وسعة تخزين تبلغ 3.6 جيجاوات في الساعة قادرة على توفير ما يصل إلى 150 ميجاوات.

أثناء وجود المشاريع الأولية في أستراليا ، تمتد طموحات RayGen إلى الخارج. لا يوجد في كل مكان في العالم الطقس المثالي الذي يحتاجه نظام RayGen ، ولكن هناك فرصًا في أي مكان به الكثير من أشعة الشمس ، والحاجة إلى الكهرباء ، والشبكة التي يمكن أن تستفيد من نظام إمداد وتخزين مرن وسريع.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/combining-solar-power-with-thermal-storage-to-avoid-wasting-energy/