Сочетание солнечной энергии с аккумулированием тепла, чтобы избежать потерь энергии

Австралия славится своим жарким и солнечным климатом. в среднем 10 часов солнечного света в день – по сравнению со скромными четырьмя часами для тех из нас, кто живет в Великобритании. Возможно, неудивительно, что в 2021 году солнечная энергия стала крупнейшим источником возобновляемой энергии в Австралии. Однако это еще только составило 12% общего производства энергии в стране (в целом на долю возобновляемых источников энергии приходится 29%).

Так как же мы можем увеличить долю электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями? Является ли это просто вопросом снижения стоимости фотоэлектрических панелей и повышения их доступности? К сожалению, нет – реальность более тонкая.

Солнечные фермы наиболее продуктивны в местах, где солнце палит изо дня в день, например, в Австралии и на юго-западе США. Но в таких местах в середине дня вырабатывается так много энергии, что порой ее оказывается слишком много. Владельцам солнечных электростанций затем придется платить электросети, чтобы она забрала дополнительную энергию. А если энергосистема этого не хочет, фермы вынуждены сокращать производство или даже полностью прекращать производство.

Чтобы решить эту раздражающую ситуацию, в этих местах начинают появляться новые гибридные системы возобновляемой энергетики, сочетающие выработку электроэнергии с той или иной формой хранения энергии, так что сеть получает электроэнергию только тогда, когда она в ней нуждается. Однако, хотя существуют различные варианты хранения, каждый из них имеет ограничения. Например, литий-ионные батареи стоят примерно в пять раз дороже солнечных панелей, и их производительность со временем ухудшается. В гидроэлектростанциях избыточное электричество будет использоваться для перекачки воды на возвышенность, преобразуя таким образом электрическую энергию солнечных батарей в потенциальную энергию, которую можно будет преобразовать обратно при необходимости. Но для этой установки требуются холмистые места, которые не подходят для солнечных ферм, поскольку они склонны к облачности и дождям. Также непомерно дорого построить солнечную электростанцию ​​в засушливом месте и подключить ее к гидросистеме с помощью линий электропередачи.

Одной из альтернатив этой загадке является запатентованная технология, разрабатываемая австралийской фирмой. РэйГен. Объединив солнечные элементы с накопителями тепла на водной основе, эта компания из Мельбурна предлагает, как она утверждает, конкурентоспособную по стоимости систему, отвечающую потребностям сетевых операторов.

Не только солнечная энергия

Система RayGen состоит из нескольких этапов и технологий (рис. 1). Сначала серия зеркал фокусирует солнечный свет на группу солнечных батарей на вершине приемной башни. Эти ячейки преобразуют лучи в электричество, которое подается в сеть, как на обычной солнечной ферме. Хотя сфокусированный свет вызывает повышение температуры клеток, охлаждающий поток воды предотвращает их перегрев и потерю эффективности. Тепло, теперь удерживаемое в контуре охлаждения, передается посредством теплообмена во вторичную систему, которая поступает в теплоизолированный подземный резервуар с водой с температурой 90 °C.

Когда сети требуется дополнительная электроэнергия, этот тепловой аккумулятор вместе с резервуаром с холодной водой приводит в действие двигатель с органическим циклом Ренкина (ORC), в котором горячая вода испаряет аммиак, который вращает турбину для выработки электроэнергии. Затем аммиак охлаждается и повторно конденсируется холодной водой, чтобы снова пройти цикл. В дни, когда имеется избыточное количество солнечной энергии, это электричество может увеличить емкость хранения энергии тепловой части системы.

RayGen утверждает, что стоимость этой системы снижается, поскольку она опирается на различные признанные технологии возобновляемых источников энергии – от ямного хранения тепловой энергии до фотоэлектрических и турбин на основе аммиака – и поэтому может конкурировать на рынке. «Что касается солнечной энергии, мы сопоставимы по стоимости с фотоэлектрической энергетикой коммунальных предприятий в пересчете на доллар за ватт», — говорит Кира Рундел, коммерческий менеджер RayGen. «Что касается хранения, это похоже на гидроэлектростанцию ​​с насосом. А с точки зрения стоимости хранения энергии, поскольку мы используем только воду, это похоже на гидроэнергетику».

Тестовый запуск технологии

RayGen почти завершила ввод в эксплуатацию своего первая электростанция, расположенный примерно в шести часах езды от Мельбурна, недалеко от места под названием Карварп. В этом районе установлено так много солнечных ферм, что в солнечный день в сети может возникнуть переизбыток электроэнергии, что дает RayGen возможность продемонстрировать свои полномочия. На этом объекте компания построила четыре из своих систем мощностью 1 МВт, расположенных рядом. Помимо выработки до 4 МВт электроэнергии с помощью солнечных элементов, эта установка имеет накопительную емкость 50 МВт и может подавать в сеть 3 МВт в течение 17 часов через турбины ORC.

Каждая система мощностью 1 МВт имеет поле из почти 300 «умных» зеркал, расположенных вокруг фотоэлектрического приемника, установленного на башне. Зеркала способны отслеживать положение Солнца в течение дня, направляя свет на башню от рассвета до заката и фокусируя лучи в 750 раз. Помимо сокращения количества необходимых фотоэлектрических элементов и, следовательно, стоимости, Увеличение интенсивности солнечного света на приемнике также обеспечивает значительное повышение эффективности.

Сам приемник имеет длину 4.41 м.² активная зона, состоящая из 441 солнечных модулей размером 10 × 10 см каждый, оснащенных наиболее эффективным классом коммерчески доступных солнечных элементов. Эти элементы широко используются для питания спутников (где высоко ценятся высокая эффективность и устойчивость к радиации) и изготовлены из нескольких полупроводниковых материалов. включая германий, арсенид галлия и фосфид галлия-индия, поэтому имеют несколько p – n-переходов. Поскольку каждый переход имеет различный профиль поглощения, клетки могут улавливать большую часть полного спектра Солнца – от ультрафиолетового до инфракрасного – захватывая в два раза больше солнечного света, чем традиционный кремний, и эффективно преобразовывая его в электричество.

В настройке RayGen эффективность ячеек по выработке электроэнергии составляет около 38%, у модулей — чуть более 35%, а эффективность приёмника — номинально 32% (точная цифра зависит от условий эксплуатации). Для сравнения, элементы, изготовленные из традиционного кремния, будут иметь КПД модуля около 18–20%. Хотя такие кремниевые элементы и позволят сэкономить деньги, по мнению главного научного сотрудника RayGen, это будет ложная экономия. Джон Ласич. Он утверждает, что этот первоначальный прирост затрат будет омрачен существенным сокращением производства электроэнергии и более низким соотношением производства электроэнергии и тепла.

Роль воды

RayGen также утверждает, что ее технология устраняет главный недостаток всех традиционных фотоэлектрических систем. Даже те, кто использует лучшие устройства, тратят большую часть падающей солнечной энергии в виде тепла, что также повышает температуру элемента и снижает его эффективность. Однако в системе RayGen это избыточное тепло используется.

В каждом приемнике для охлаждения фотоэлектрических элементов используется вода. Она перекачивается вверх по башне, через заднюю часть модулей и обратно к основанию, где теплообменник передает тепловую энергию во вторичную систему. Переохлажденную воду в начальном контуре затем можно перекачивать обратно в башню для повторного использования.

Вторичная система течет к горячему резервуару, который в Карварпе имеет глубину 17,000 XNUMX м.³ яма с водой температурой 90°C. Яма облицована полимером, изолирована и герметизирована, что означает, что – в том числе благодаря очень низкому соотношению поверхности к объему – теряется очень мало энергии. «Если рассматривать это как батарею, саморазряд будет ниже долей процента в течение нескольких недель», — говорит Ласич.

Когда энергосистеме нужна энергия, а Солнце не светит, тепло из этой ямы приводит в движение турбину ORC. Поскольку аммиак является рабочей жидкостью в этой замкнутой системе, его необходимо охлаждать и повторно конденсировать после прохождения через турбину, что и делается со вторым 17,000 XNUMX-м циклом.³ яма, выдержанная при более низкой температуре. В жарких и солнечных местах, таких как окраины Карварпа, эта яма нагревалась бы до 40 °C и более, если бы ее не охлаждали вручную. Поскольку это всего на 50 °C ниже, чем в более горячей яме, эффективность выработки электроэнергии турбиной ORC будет не более примерно 5%. Поэтому, чтобы увеличить это значение до 12–15%, RayGen охлаждает яму с холодной водой почти до точки замерзания с помощью промышленного чиллера, создавая разницу температур между двумя массивными водоемами около 90 °C. «Это эквивалентно гидроузлу с двумя плотинами высотой 1000 м», — говорит Ласич.

Хотя эффективность выработки энергии турбиной в 12–15% не так уж высока, на нагрев воды до 90 °C электроэнергия не расходуется. Электричество используется только для охлаждения холодной ямы, и на каждый использованный для этой цели 1 МВтч восстанавливается 0.7–0.8 МВтч при работе турбины. По словам Ласича, охлаждение второй ямы позволяет системе хранения энергии RayGen вести себя как гигантская батарея. Когда в сети более чем достаточно энергии, любой излишек можно использовать для работы чиллера, который также может питаться от электричества от многопереходных солнечных элементов RayGen.

Солнечные времена впереди?

«Система RayGen представляет собой интересное применение технологии фотоэлектрических концентраторов (CPV), а элемент хранения, использующий воду для охлаждения элементов, является отличным дополнением к одной только выработке электроэнергии», — говорит Джефф Дагган, который был главным техническим директором Fullsun Photovoltaics Limited. в Великобритании до того, как она была ликвидирована и распущена в 2022 году. Однако он не уверен, что этот новый подход приведет к пересмотру интереса к системам CPV. «Его всегда преследовали затраты и неспособность масштабироваться до мощностей, при которых затраты будут значительно снижены».

RayGen, очевидно, более оптимистично настроен в отношении этой технологии, а также заявляет, что клиенты, заказывающие систему RayGen, смогут получать доход из ряда различных источников дохода. Помимо получения оплаты за экспорт электроэнергии, дальнейшие выплаты происходят просто за возможность обеспечить сеть дополнительной мощностью, даже если она не используется. И, кроме того, существует возможность получения дохода от рынка вспомогательных услуг по частоте, поскольку объединенная солнечная и тепловая система может в течение нескольких секунд реагировать на потребности сети. Рундел считает, что система RayGen «совместно с нашими стратегическими партнерами обеспечивает прибыльные и привлекательные коммерческие проекты».

Помимо завершения проекта мощностью 4 МВт возле Carwarp, RayGen строит производственную линию для производства своих модулей. Компания надеется, что общее количество модулей, производимых каждый год, сможет генерировать 170 МВт электроэнергии. Поскольку число проектов, находящихся в стадии разработки, продолжает расти, это направление будет расширяться в большем масштабе.

Более крупным проектам также потребуются более крупные системы. Например, ямы для более крупных будущих проектов будут увеличены в соответствии с увеличением мощности ORC, чтобы продолжать обеспечивать хранение в течение 12–24 часов. RayGen ожидает, что ямы такого масштаба будут иметь объем 150,000 250,000–XNUMX XNUMX мXNUMX.³, в зависимости от требуемой продолжительности хранения для данного проекта. Один партнер, Фотонная энергия, уже приобрела землю в Южной Австралии для объекта, который будет сочетать в себе 300 МВт солнечной энергии с накопительной мощностью 3.6 ГВтч, способной выдавать до 150 МВт.

Хотя первоначальные проекты находятся в Австралии, амбиции RayGen простираются и за границу. Не везде в мире есть идиллическая погода, которая необходима системе RayGen, но есть возможности в любом месте, где много солнечного света, есть потребность в электричестве и есть сеть, которая выиграет от гибкой, быстрой системы снабжения и хранения.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/combining-solar-power-with-thermal-storage-to-avoid-wasting-energy/