שילוב של אנרגיה סולארית עם אחסון תרמי כדי למנוע בזבוז אנרגיה

אוסטרליה ידועה באקלים החם ושטוף השמש שלה, עם חלקים מהמדינה לראות ממוצע של 10 שעות שמש ביום - לעומת ארבע שעות נמוכות עבור אלה מאיתנו בבריטניה. זה אולי לא מפתיע אם כן שבשנת 2021 האנרגיה הסולארית הייתה המקור הגדול ביותר של אוסטרליה לאנרגיה מתחדשת. עם זאת, זה עדיין רק השלים 12% מסך ייצור האנרגיה במדינה (האנרגיה המתחדשת כולה היוו 29%).

אז איך נוכל להגדיל את שיעור החשמל המופק על ידי תאים סולאריים? האם זה פשוט עניין של קיצוץ בעלות הפאנלים הפוטו-וולטאיים והגדלת זמינותם? למרבה הצער, לא - המציאות היא יותר ניואנסית.

חוות סולאריות הינן פרודוקטיביות ביותר במקומות שבהם השמש קופחת בחוזקה יום אחר יום, כמו אוסטרליה ודרום מערב ארה"ב. אבל במקומות כאלה, כל כך הרבה אנרגיה נוצרת באמצע היום שלפעמים יש יותר מדי. הבעלים של חוות סולאריות צריכים אז לשלם לרשת החשמל כדי לקחת את האנרגיה הנוספת. ואם הרשת לא רוצה את זה, החוות נאלצות להפחית את התפוקה שלהן או אפילו לסגור את הייצור לחלוטין.

כדי לטפל במצב העניינים המטריף הזה, מתחילות להופיע מערכות אנרגיה מתחדשת היברידיות חדשות במקומות אלו, המשלבות ייצור חשמל עם צורה כלשהי של אגירת אנרגיה, כך שהרשת מקבלת חשמל רק כשהיא זקוקה לה. עם זאת, בעוד שישנן אפשרויות אחסון שונות, לכל אחת יש מגבלות. סוללות ליתיום-יון, למשל, עולות בערך פי חמישה מפאנלים סולאריים והביצועים שלהן יורדים עם הזמן. בתוכניות הידרואלקטריות, החשמל העודף ישמש לשאיבת מים לקרקע גבוהה יותר, ובכך המרת האנרגיה החשמלית מתאי השמש לאנרגיה פוטנציאלית שניתן להמיר בחזרה בעת הצורך. אבל ההגדרה הזו דורשת מיקומים הרריים, שאינם תואמים לחוות סולאריות מכיוון שהם מועדים לעננים ולגשם. זה גם יקר מאוד להקים מפעל סולארי במקום צחיח ולחבר אותו לתוכנית הידרו באמצעות קווי הולכה חשמליים.

חלופה אחת לחידה היא טכנולוגיה ממתינה לפטנט שמפתחת החברה האוסטרלית RayGen. על ידי זיווג תאים סולאריים עם אחסון תרמי מבוסס מים, החברה ממלבורן זו מציעה לטענתה מערכת תחרותית שעונה על הצרכים של מפעילי רשתות.

לא רק אנרגיה סולארית

המערכת של RayGen מורכבת משלבים וטכנולוגיות מרובות (איור 1). ראשית, סדרה של מראות ממקדת את אור השמש אל אוסף של תאים סולאריים בראש מגדל מקלט. תאים אלו ממירים את הקרניים לחשמל, המוזן לרשת, ממש כמו בחווה סולארית רגילה. למרות שהאור הממוקד גורם לטמפרטורה של התאים לעלות, זרימת קירור של מים מונעת מהם להתחמם יתר על המידה ולהפוך ללא יעילים. החום המוחזק כעת במעגל הקירור מועבר באמצעות חילופי חום למערכת משנית שזורמת למאגר תת-קרקעי מבודד תרמית של מים בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס.

כאשר הרשת זקוקה לחשמל נוסף, מאגר תרמי זה, לצד מאגר מים קרים, מניע מנוע מחזור Rankine (ORC) אורגני, בו המים החמים מאדים אמוניה שהופכת טורבינה לייצור חשמל. לאחר מכן האמוניה מקוררת ומתעבה מחדש על ידי המים הקרים כדי לעבור שוב את המחזור. בימים שבהם יש כמות עודפת של חשמל סולארי, החשמל הזה יכול לחזק את יכולת אחסון האנרגיה של החלק התרמי של המערכת.

RayGen טוענת שהעלות של מערכת זו נשמרת מכיוון שהיא נעזרת בטכנולוגיות מתחדשות שונות מבוססות - מאחסון אנרגיה תרמית מבוססת בורות ועד לטורבינות פוטו וולטאיות וטורבינות מבוססות אמוניה - וכך היא יכולה להתחרות בשוק. "בצד הסולארי אנחנו ניתנים להשוואה עם עלות הפוטו-וולטאית בקנה מידה של שירותים על בסיס דולר לוואט", אומר קירה רונדל, המנהל המסחרי של RayGen. "בצד האחסון, זה דומה להידרו שאוב. ומבחינת העלות של אגירת אנרגיה, מכיוון שאנחנו רק משתמשים במים, זה דומה לכוח הידרו".

ריצת מבחן טכנולוגיה

RayGen כמעט סיים להפעיל את זה תחנת כוח ראשונה, שנמצאת כשש שעות נסיעה בפנים הארץ ממלבורן, ליד מקום בשם Carwarp. כל כך הרבה חוות סולאריות הותקנו באזור הזה שביום שמש יכול להיות עודף אספקה ​​לרשת, מה שנותן ל-RayGen את ההזדמנות להציג את האישורים שלה. באתר זה בנתה החברה ארבע ממערכות 1 MW שלה, יושבות זו לצד זו. בנוסף להפקת עד 4 MW של חשמל מהתאים הסולאריים, למתקן זה קיבולת אחסון של 50 MWh, והוא יכול לספק 3 MW לרשת למשך 17 שעות דרך טורבינות ORC.

כל מערכת של 1 מגה-וואט כוללת שדה של כמעט 300 מראות "חכמות", המסודרות סביב מקלט פוטו-וולטאי המותקן במגדל. המראות מסוגלות לעקוב אחר מיקום השמש לאורך היום, להפנות אור למגדל מבוקר עד בין ערביים ולמקד את הקרניים בפקטור של 750. כמו כן להפחית את מספר התאים הפוטו-וולטאיים הדרושים, ולפיכך את העלות, הגדלת עוצמת אור השמש על המקלט מספקת גם עלייה חשובה ביעילות.

למקלט עצמו יש 4.41 מ'² אזור פעיל הכולל 441 מודולים סולאריים, כל אחד בגודל 10×10 ס"מ ומאוכלס בסוג היעיל ביותר של תא סולארי זמין מסחרית. בשימוש נרחב להנעת לוויינים - יישום שבו יעילות גבוהה וחוסן לקרינה מוערכים מאוד - תאים מסוימים אלה עשויים מכמה חומרים מוליכים למחצה, לְרַבּוֹת גרמניום, גליום ארסניד וגליום אינדיום פוספיד, ולכן יש להם מספר צמתים p-n. מכיוון שלכל צומת יש פרופיל ספיגה שונה, התאים יכולים לתפוס את רוב הספקטרום המלא של השמש - הנמתח מאולטרה סגול לאינפרא אדום - לתפוס פי שניים יותר אור שמש מסיליקון מסורתי, ולהמיר אותו ביעילות לחשמל.

עם ההגדרה של RayGen, יעילות התא לייצור חשמל היא בסביבות 38%, בעוד שלמודולים היא קצת יותר מ-35%, ויעילות המקלט היא נומינלית 32% (הנתון המדויק בהתאם לתנאי ההפעלה). לשם השוואה, לתאים העשויים מסיליקון מסורתי תהיה יעילות מודול של כ-18-20%. בעוד שתאי סיליקון כאלה יחסכו כסף, זו תהיה כלכלה כוזבת על פי קצין המחקר הראשי של RayGen, ג'ון לאסיץ'. לטענתו, רווח העלות הראשוני הזה יואפל על ידי קיצוץ משמעותי בייצור החשמל ויחס נחות בין ייצור חשמל לחום.

תפקיד המים

RayGen גם טוענת שהטכנולוגיה שלה מטפלת בחולשה גדולה של כל המערכות הפוטו-וולטאיות המסורתיות. אפילו אלה שמשתמשים במכשירים הטובים ביותר מבזבזים חלק גדול מהאנרגיה התקרית של השמש בצורה של חום, מה שגם מעלה את הטמפרטורה של התא ופוגע ביעילותו. במערכת RayGen, לעומת זאת, נעשה שימוש בחום העודף הזה.

בכל מקלט משתמשים במים לקירור הפוטו-וולטאים. הוא נשאב במעלה המגדל, דרך החלק האחורי של המודולים וחזרה למטה לבסיס, שם מחליף חום מעביר את האנרגיה התרמית למערכת משנית. לאחר מכן ניתן לשאוב את המים המקוררים מחדש במעגל הראשוני בחזרה במעלה המגדל לשימוש חוזר.

המערכת המשנית זורמת למאגר החם, שב-Carwarp הוא 17,000 מ'³ בור המכיל מים של 90 מעלות צלזיוס. הבור מרופד בפולימר, מבודד ואטום, מה שאומר שגם הודות ליחס המשטח לנפח הנמוך מאוד - מאבדים מעט מאוד אנרגיה. "אם אתה חושב על זה כמו סוללה, הפריקה העצמית נמוכה משבריר אחוז במשך כמה שבועות", אומר לאסיץ'.

כאשר הרשת זקוקה לאנרגיה והשמש אינה זורחת, החום מהבור הזה מניע טורבינת ORC. מכיוון שאמוניה היא נוזל העבודה במערכת לולאה סגורה זו, יש לקרר ולעבה מחדש לאחר מעבר דרך הטורבינה, מה שנעשה עם 17,000 מ' שניים³ בור, מוחזק בטמפרטורה נמוכה יותר. במקומות חמים ושטופי שמש, כמו בפאתי קארווארפ, בור זה יתחמם עד 40 מעלות צלזיוס או יותר אם לא יתקרר באופן ידני. מכיוון שזה רק 50 מעלות צלזיוס פחות מהבור החם יותר, יעילות ייצור החשמל מטורבינת ה-ORC תהיה לא יותר מ-5%. אז כדי להגדיל את זה ל-12-15%, RayGen מקררת את בור המים הקרים עד קרוב לקפוא באמצעות מקרר תעשייתי, ויוצר הפרש טמפרטורה של כ-90 מעלות צלזיוס בין שני גופי המים המסיביים. "זה שווה ערך למערך הידרו עם שני סכרים עם גובה של 1000 מ'", אומר לאסיץ'.

בעוד שיעילות של 12-15% להפקת אנרגיה מהטורבינה אינה כה גבוהה, אין צורך בחשמל בחימום מים ל-90 מעלות צלזיוס. חשמל משמש רק לצינון הבור הקר, ועל כל 1 MWh המשמש למטרה זו, 0.7–0.8 MWh מוחזר בעת הפעלת הטורבינה. הקירור של הבור השני מאפשר למערכת אחסון האנרגיה של RayGen להתנהג בדיוק כמו סוללה ענקית, על פי לאסיץ'. כאשר לרשת יש יותר ממספיק אנרגיה, ניתן להשתמש בכל עודף להפעלת הצ'ילר, אשר יכול להיות מופעל גם על ידי החשמל מהתאים הסולאריים הרב-צומתים של RayGen.

זמן שמש לפנינו?

"מערכת ה-RayGen היא ניצול מעניין של טכנולוגיית המרכז הפוטו-וולטאית (CPV), ואלמנט האחסון באמצעות מים מקירור התאים הוא תוספת מצוינת לייצור החשמל בלבד", אומר ג'וף דוגן, שהיה סמנכ"ל טכני ב-Fullsun Photovoltaics Limited בבריטניה, לפני שנכנסה לפירוק ופורקה ב-2022. עם זאת, הוא אינו משוכנע שגישה חדשה זו תשנה את העניין במערכות CPV. "העלויות וחוסר היכולת להתרחב ליכולות שבהן העלויות יופחתו באופן דרמטי".

RayGen כמובן אופטימי יותר לגבי הטכנולוגיה, וגם אומר שלקוחות המזמינים מערכת RayGen יוכלו לייצר הכנסה ממספר זרמי הכנסה שונים. בנוסף לקבל תשלום עבור ייצוא חשמל, תשלומים נוספים מגיעים רק מהיכולת לספק לרשת קיבולת נוספת, גם אם היא לא בשימוש. ובנוסף לכך, יש הזדמנות להכנסה משוק שירותי התדרים הנלווים, מכיוון שהמערכת הסולארית והתרמית המשולבת יכולה להגיב תוך שניות לדרישות הרשת. רונדל מעריך שמערכת RayGen "מספקת פרויקטים מסחריים רווחיים ואטרקטיביים, יחד עם השותפים האסטרטגיים שלנו".

בנוסף לחתום על פרויקט 4 MW ליד Carwarp, RayGen מרכיבה קו ייצור לייצור המודולים שלה. היא מקווה שמספר המודולים הכולל המיוצרים מדי שנה יצליח לייצר 170 MW של כוח. ככל שמספר הפרויקטים בצנרת ימשיך לגדול, קו זה יורחב להיקף גדול יותר.

פרויקטים גדולים יותר יצטרכו גם מערכות גדולות יותר. לדוגמה, הבורות עבור פרויקטים עתידיים גדולים יותר יוגדלו בהתאם לקיבולת ORC מוגברת, כדי להמשיך לספק אחסון של 12-24 שעות. RayGen צופה שבורות בקנה מידה זה יהיו בנפח של 150,000–250,000 מ'³, בהתאם למשך האחסון הנדרש עבור פרויקט נתון. שותף אחד, אנרגיית פוטון, כבר הבטיחה קרקע בדרום אוסטרליה למתקן שישלב 300 MW של שמש עם קיבולת אחסון של 3.6 GWh המסוגל לספק עד 150 MW.

בעוד שהפרויקטים הראשוניים נמצאים באוסטרליה, השאיפות של RayGen משתרעות מעבר לים. לא בכל מקום בעולם יש את מזג האוויר האידילי שמערכת RayGen צריכה, אבל יש הזדמנויות בכל מקום עם הרבה אור שמש, צורך בחשמל ורשת שתפיק תועלת ממערכת אספקה ​​ואחסון גמישה ומהירה.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/combining-solar-power-with-thermal-storage-to-avoid-wasting-energy/