Поєднання сонячної енергії з накопиченням тепла, щоб уникнути марних витрат енергії

Австралія відома своїм жарким і сонячним кліматом, з деякими видами країни в середньому 10 годин сонячного світла на день – у порівнянні з скромними чотирма годинами для тих із нас у Великобританії. Тому, можливо, не дивно, що в 2021 році сонячна енергія була найбільшим джерелом відновлюваної енергії в Австралії. Втім, це ще тільки налагодилося 12% загального виробництва енергії в країні (відновлювані джерела енергії в цілому становили 29%).

Отже, як ми можемо збільшити частку електроенергії, виробленої сонячними елементами? Чи йдеться просто про зниження вартості фотоелектричних панелей і підвищення їх доступності? На жаль, ні – реальність є більш нюансованою.

Сонячні електростанції є найбільш продуктивними в місцях, де день за днем ​​палає сонце, наприклад в Австралії та на південному заході США. Але в таких місцях у середині дня виробляється стільки енергії, що іноді її стає забагато. Тоді власники сонячних електростанцій повинні платити електричній мережі, щоб забрати додаткову енергію. І якщо мережа цього не хоче, ферми змушені скорочувати виробництво або навіть повністю відключати виробництво.

Щоб вирішити цю жахливу ситуацію, у цих місцях починають з’являтися нові гібридні системи відновлюваної енергії, які поєднують виробництво електроенергії з певною формою зберігання енергії, щоб мережа отримувала електроенергію лише тоді, коли вона їй потрібна. Однак, хоча існують різні варіанти зберігання, кожен із них має обмеження. Літій-іонні батареї, наприклад, коштують приблизно в п’ять разів дорожче сонячних панелей, і їхня продуктивність з часом погіршується. У схемах гідроелектростанцій надлишок електроенергії буде використовуватися для перекачування води на висоту, таким чином перетворюючи електричну енергію від сонячних батарей у потенційну енергію, яку можна було б перетворити назад, коли це необхідно. Але ця установка вимагає горбистих місць, які несумісні для сонячних електростанцій, оскільки вони схильні до хмар і дощів. Також непомірно дорого побудувати сонячну електростанцію в посушливому місці та підключити її до гідросистеми через лінії електропередачі.

Альтернативою цій головоломці є патентована технологія, яку розробляє австралійська фірма RayGen. Поєднуючи сонячні батареї з накопичувачем тепла на водній основі, ця компанія з Мельбурна пропонує, як вона стверджує, економічно конкурентоспроможну систему, яка відповідає потребам операторів мереж.

Не тільки сонячна енергія

Система RayGen складається з кількох етапів і технологій (рис. 1). По-перше, серія дзеркал фокусує сонячне світло на колекцію сонячних батарей у верхній частині приймальної вежі. Ці клітини перетворюють промені в електроенергію, яка подається в мережу, як у звичайній сонячній електростанції. Хоча сфокусоване світло підвищує температуру клітин, охолоджуючий потік води запобігає їх перегріванню та неефективності. Тепло, яке зараз утримується в контурі охолодження, передається через теплообмін до вторинної системи, яка надходить у теплоізольований підземний резервуар води з температурою 90 °C.

Коли мережа потребує додаткової електроенергії, цей термальний накопичувач разом із резервуаром холодної води приводить в дію двигун органічного циклу Ренкіна (ORC), у якому гаряча вода випаровує аміак, який обертає турбіну для виробництва електроенергії. Потім аміак охолоджується та знову конденсується холодною водою, щоб знову пройти цикл. У дні, коли є надлишок сонячної енергії, ця електроенергія може збільшити ємність теплової частини системи для зберігання енергії.

RayGen стверджує, що вартість цієї системи низька, оскільки вона базується на різноманітних відомих технологіях відновлюваних джерел енергії – від накопичувачів теплової енергії в шахтах до фотоелектричних і турбін на основі аміаку – і тому може конкурувати на ринку. «Що стосується сонячної енергії, ми порівнюємо собівартість із фотоелектричними установками загального користування за ціною долара за ват», — каже Кіра Рундел, комерційний менеджер RayGen. «З боку акумулювання це схоже на насосну ГЕС. А з точки зору вартості зберігання енергії, оскільки ми використовуємо лише воду, це схоже на гідроенергію».

Випробування технології

Компанія RayGen майже завершила введення в експлуатацію перша електростанція, розташований приблизно за шість годин їзди вглиб країни від Мельбурна, поблизу місця під назвою Карварп. У цьому районі встановлено стільки сонячних електростанцій, що в сонячний день може виникнути надлишок енергії в мережі, що дає RayGen шанс продемонструвати свої повноваження. На цьому місці компанія побудувала чотири зі своїх систем потужністю 1 МВт, розташованих поруч. На додаток до генерації до 4 МВт електроенергії з сонячних елементів, цей об’єкт має ємність накопичувача 50 МВт/год і може постачати 3 МВт в мережу протягом 17 годин через турбіни ORC.

Кожна система потужністю 1 МВт має поле з майже 300 «розумних» дзеркал, розташованих навколо встановленого на вежі фотоелектричного приймача. Дзеркала здатні відстежувати положення Сонця протягом дня, спрямовуючи світло на вежу від світанку до сутінків і фокусуючи промені з коефіцієнтом 750. Окрім зменшення кількості необхідних фотоелектричних елементів, а отже, і вартості, Збільшення інтенсивності сонячного світла на приймач також забезпечує цінне підвищення ефективності.

Сама ствольна коробка має 4.41 м² активна зона, що складається з 441 сонячних модулів, кожен розміром 10 × 10 см і заповнена найбільш ефективним класом комерційно доступних сонячних елементів. Широко використовуються для живлення супутників – застосування, де високо цінується висока ефективність і стійкість до випромінювання – ці конкретні елементи виготовлені з кількох напівпровідникових матеріалів, включаючи германій, арсенід галію та фосфід галію індію, тому мають кілька p–n-переходів. Оскільки кожне з’єднання має різний профіль поглинання, клітини можуть захоплювати більшу частину повного спектру Сонця – від ультрафіолетового до інфрачервоного – захоплюючи вдвічі більше сонячного світла, ніж традиційний кремній, і ефективно перетворюючи його на електрику.

З налаштуванням RayGen ефективність осередку для виробництва електроенергії становить близько 38%, тоді як для модулів вона трохи перевищує 35%, а ефективність приймача номінально становить 32% (точна цифра залежить від умов експлуатації). Для порівняння, осередки, виготовлені з традиційного кремнію, мали б ефективність модуля приблизно 18–20%. Незважаючи на те, що такі кремнієві елементи заощадили б гроші, це було б помилковою економією, за словами головного дослідника RayGen, Джон Ласіч. Він стверджує, що цей початковий приріст витрат буде затьмарений значним скороченням виробництва електроенергії та нижчим співвідношенням виробництва електроенергії та тепла.

Роль води

RayGen також стверджує, що її технологія усуває головну слабкість усіх традиційних фотоелектричних систем. Навіть ті, які використовують найкращі пристрої, витрачають велику частину сонячної енергії у формі тепла, що також підвищує температуру клітини та погіршує її ефективність. Однак у системі RayGen цей надлишок тепла використовується.

У кожному ресивері вода використовується для охолодження фотовольтаїки. Він перекачується вгору по башті через задню частину модулів і назад до основи, де теплообмінник передає теплову енергію до вторинної системи. Знову охолоджену воду в початковому контурі можна потім закачати назад у вежу для повторного використання.

Вторинна система тече до гарячого резервуару, який у Карварпі становить 17,000 XNUMX м³ яму з водою 90 °C. Яма покрита полімером, ізольована та герметизована, що означає, що завдяки дуже низькому співвідношенню поверхні до об’єму втрачається дуже мало енергії. «Якщо ви думаєте про це як про батарею, саморозряд нижчий за частки відсотка протягом кількох тижнів», — каже Ласіч.

Коли мережа потребує енергії, а сонце не світить, тепло з цієї ями приводить в рух турбіну ORC. Оскільки аміак є робочою рідиною в цій замкнутій системі, його потрібно охолоджувати та повторно конденсувати після проходження через турбіну, що робиться за допомогою других 17,000 XNUMX м³ ямку, витриману при більш низькій температурі. У спекотних сонячних місцях, таких як околиці Карварпа, ця яма нагрівалася б до 40 °C або більше, якщо не охолоджувати її вручну. Оскільки це лише на 50 °C менше, ніж у більш гарячій ямі, ефективність виробництва електроенергії від турбіни ORC становитиме не більше 5%. Тож, щоб збільшити це значення до 12–15%, RayGen охолоджує яму з холодною водою майже до точки замерзання за допомогою промислового охолоджувача, створюючи різницю температур приблизно в 90 °C між двома масивними водоймами. «Це еквівалентно гідроустановці з двома дамбами з напором 1000 м», — каже Ласіч.

Хоча 12–15% ККД для виробництва енергії від турбіни не є таким високим, електроенергія не споживається при нагріванні води до 90 °C. Електроенергія використовується лише для охолодження холодної ями, і на кожен 1 МВт-год, використаний для цієї мети, 0.7–0.8 МВт-год відновлюється під час роботи турбіни. За словами Ласіча, охолодження другої ями дозволяє системі накопичення енергії RayGen поводитися так само, як гігантська батарея. Коли в мережі буде більш ніж достатньо енергії, будь-який надлишок може бути використаний для роботи холодильної машини, яка також може живитися електроенергією від багатоперехідних сонячних елементів RayGen.

Попереду сонячні часи?

«Система RayGen є цікавим використанням технології фотоелектричних концентраторів (CPV), а накопичувальний елемент, який використовує воду для охолодження елементів, є чудовим доповненням до виробництва електроенергії», — говорить Джефф Дагган, який був головним технічним директором Fullsun Photovoltaics Limited. у Великобританії, перш ніж вона була ліквідована та розпущена в 2022 році. Однак він не переконаний, що цей новий підхід перегляне інтерес до систем CPV. «Це завжди переслідували витрати та неможливість масштабування до потужностей, де витрати будуть значно знижені».

RayGen, очевидно, більш оптимістично дивиться на цю технологію, а також каже, що клієнти, які замовляють систему RayGen, зможуть отримувати дохід від кількох різних джерел доходу. Окрім отримання плати за експорт електроенергії, подальші платежі надходять лише від можливості забезпечити мережу додатковою потужністю, навіть якщо вона не використовується. Крім того, є можливість отримати дохід від ринку допоміжних послуг, оскільки комбінована сонячна та теплова система може за лічені секунди реагувати на вимоги мережі. Рандел вважає, що система RayGen «забезпечує прибуткові та привабливі комерційні проекти разом із нашими стратегічними партнерами».

Окрім підписання проекту потужністю 4 МВт біля Карварпа, RayGen збирає виробничу лінію для виробництва своїх модулів. Він сподівається, що загальна кількість модулів, що виробляються щороку, зможе генерувати 170 МВт електроенергії. Оскільки кількість проектів у розробці продовжує зростати, ця лінія буде розширена до більшого масштабу.

Для великих проектів також знадобляться більші системи. Наприклад, шахти для великих майбутніх проектів будуть збільшені відповідно до збільшення потужності ORC, щоб і надалі забезпечувати 12–24 години зберігання. RayGen очікує, що ями такого масштабу будуть мати об’єм 150,000 250,000–XNUMX XNUMX м³залежно від необхідної тривалості зберігання для даного проекту. Один партнер, Енергія фотонів, вже забезпечив землю в Південній Австралії для об’єкта, який об’єднає 300 МВт сонячної енергії з накопичувальною ємністю 3.6 ГВт/год, здатною виробляти до 150 МВт.

Поки початкові проекти знаходяться в Австралії, амбіції RayGen поширюються за кордон. Не скрізь у світі є ідилічна погода, яка потрібна системі RayGen, але є можливості будь-де, де багато сонця, потреба в електроенергії та мережа, яка виграє від гнучкої, швидкої системи постачання та зберігання.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/combining-solar-power-with-thermal-storage-to-avoid-wasting-energy/