Двата пътя на слънцето към енергията: разбиране на слънчевото производство на водород и концентрираната слънчева енергия

Докато повечето хора мислят за слънчевото електричество като за фотоволтаични панели, използващи слънчева светлина за енергия; има много повече начини, по които можете да извлечете стойност чрез слънцето, отколкото просто фотоволтаични панели. Например можете да използвате слънцето, за да произвеждате чисто водородно гориво и да генерирате-полезна мощност чрез топлина. Има няколко вълнуващи нови технологии, които разширяват обхвата на слънчевата енергия: водород от източници на слънчева енергия и концентрирана слънчева енергия (CSP).

Водородът е известен като „горивото на утрешния ден“ поради няколко причини. Водородът има приблизително 142 MJ/kg енергийно съдържание и ако използвате водород в горивна клетка, единствените произведени емисии са от водата. Въпреки това, чистото производство на големи количества водородно гориво все още е голямо предизвикателство за производството на водород. Един от начините за разрешаване на този проблем е да се използва слънчева светлина за разделяне на водата като средство за производство на водород, този процес има нулеви емисии на парникови газове.

Има три основни вида производство на водород от слънчева енергия, които в момента са на различни нива на зрялост:

Първата технология (най-зряла) използва фотоволтаични (PV) панели, съчетани с електролизатори. Електролизаторите са електрически устройства, които приемат електричество и преобразуват водата във водород и кислород чрез използване на топлина и пренос на топлина. Фотоволтаичните системи са най-разработени и лесно достъпни; Фотоволтаичните системи са много модулни и надеждни; когато PV и електролизаторът са свързани без никакви устройства за преобразуване на енергия, ефективността на STH преобразуване на цялата система е достигнала теоретичната граница.

Изследванията показват, че концентрираните фотоволтаични системи значително превъзхождат конвенционалните. Използвайки InGaP/GaAs/Ge клетки под концентрация от 750 слънца, учените постигнаха ефективност на STH от 18-21% с производствени скорости от 0,8-1,0 литра водород на минута на квадратен метър площ на модула. За сравнение конвенционалните силициеви модули под едно слънце постигнаха само около 9,4% STH ефективност с производствени нива около 0,3 L/min·m². Това представлява предимство в производителността от 1,5 до 3 пъти за концентрирани системи.

Електролизата на водата има ефективен диапазон на използване между 70-80%, което прави тази опция по-привлекателна, когато се разглеждат бъдещите цени на електроенергията от възобновяеми източници. Единственото голямо предизвикателство в момента е високата цена на електролизерите и непредсказуемостта на слънчевата радиация, което води до необходимостта от внимателно интегриране в системата.

Фотоелектрохимичните (PEC) системи използват по-интегриран подход от предишните методи за електролиза на вода, като първо генерират електрическа енергия и след това използват тази енергия за генериране на водород от вода. PECs използват полупроводникови материали, потопени във вода, които са способни да абсорбират светлина от слънцето и да я преобразуват директно, за да съхраняват енергия химически под формата на водород чрез електролиза на вода. Това се случва, когато светлината удари полупроводника, създавайки двойки електрони/дупки. Електроните в полупроводниковия механизъм редуцират протоните, за да образуват водород; създадените дупки ще окислят водните молекули, произвеждайки кислород.

PEC бяха изследвани за първи път преди приблизително 50 години от Шиничиро Фуджишима и Хонда, когато те откриха, че електрод от титанов диоксид (TiO2) може да раздели H2O на H2 и O2, когато е свързан с платинен катод/сплав и осветен с UV светлина. (Това е, което се нарича "ефект на Honda-Fujshima")

Понастоящем PEC системите имат атрактивен, компактен дизайн с възможност за постигане на директно преобразуване на слънчева-в-водород чрез прост и елегантен механизъм. Въпреки тези положителни характеристики на дизайна, PEC технологията все още е в относително начален стадий и трябва да преодолее някои значителни предизвикателства, преди да може да се комерсиализира, като например ниска ефективност при преобразуването им на слънчев-в-водород, влошаване на материалите, използвани за създаване на PEC клетки, и мащабируемост на производителността. По този начин се провеждат текущи изследвания на съвременни материали и наноструктурирани фотоелектроди, предназначени да решат тези проблеми.

Един от по-креативните начини за постигане на това е да се използват полупроводникови материали с наноразмер (наричани още квантови точки), диспергирани във водна среда като фотокатализатори. При осветяване със слънчева светлина те произвеждат електрони (и дупки), които могат да мигрират към интерфейса на частицата и да инициират съответните полуреакции на окисление и редукция, наричани съответно отделяне на водород и отделяне на кислород.

Едночастичната фотокаталитична система или едно{0}}стъпковата система за възбуждане изисква ширината на забранената лента на полупроводника да обхваща както потенциала за отделяне на водород, така и потенциала за отделяне на кислород. Съществува и фотокаталитична система от две-части или фотокаталитична конфигурация на "Z-схема", при която два различни фотокатализатора са свързани заедно чрез химичен медиатор (т.е. редокс двойка), така че разделянето на водата да се извършва в две отделни стъпки или полуреакции. Това значително намалява енергията, необходима за всяка реакция, като същевременно позволява да се използва по-голямо разнообразие от видима светлина.

Последните пробиви демонстрират потенциала на този подход. Китайски изследователски екип, ръководен от Liu Gang от Института за изследване на металите, подобри титановия диоксид-ключовия фотокаталитичен материал-чрез добавяне на скандий чрез „структурно преоформяне“ и „заместване на елементи“. Скандиевите йони се вписват гладко в решетката на материала, премахвайки "зоните на улавяне", които обикновено улавят електрони, и преформатират кристалната повърхност, за да образуват "електронни магистрали", които насочват ефективно носителите на заряд.

Подобреният материал използва над 30% ултравиолетова светлина и постига скорост на производство на водород при симулирана слънчева светлина 15 пъти по-висока от по-ранните версии. Според изследователския екип един-квадратен-метър фотокаталитичен панел може да произвежда около 10 литра водород на ден под слънчева светлина.

Въпреки че фотокатализата на частици остава в лабораторията, потенциалът й за-широкомащабно внедряване е завладяващ. Фотокатализаторите под формата на прах- са по-лесни за работа и по-податливи на разпръскване върху големи площи, като се използват потенциално евтини процеси в сравнение с PV-електролизата или PEC системите.

Концентрираната слънчева енергия (CSP) използва фундаментално различен подход за овладяване на слънцето. Вместо да преобразува светлината директно в електричество, CSP използва огледала, за да концентрира слънчевата светлина, да генерира висока-температурна топлина и след това да задвижва конвенционални турбини за производство на електричество.

Основната концепция е много ясна. Хелиостатите или подреждането на огледала следват дневния курс на Слънцето и отразяват слънчевите лъчи към колектор, разположен на върха на кула. Тази концентрация на слънчева светлина се използва за нагряване на работен флуид до много високи температури и след като топлината се произведе, нагрятият работен флуид се използва за генериране на пара, която ще завърти турбина, задвижваща генератора.

Възможността за включване на съхранение на топлинна енергия в CSP система е това, което прави CSP толкова ценна. Топлината, произведена от процеса на концентриране на слънчевите лъчи, може да бъде уловена и съхранявана с часове, което означава, че генерирането на електроенергия от CSP системата може да се случи дълго след залез слънце. Диспечерският аспект на CSP-тоест, когато имате нужда от електричество, можете да го произвеждате-е това, което отличава CSP от фотоволтаичните соларни системи, които престават да произвеждат електричество, когато започне да се заоблачава или през нощта.

Технологията, открита в момента на върха на пирамидата (Gemasolar в Испания, Crescent Dunes в Невада и Noor III), включва течна разтопена сол, която се използва не само за пренос на топлина, но и за съхранение на енергия. И трите системи успешно демонстрираха способността си да работят непрекъснато в продължение на цели 24 часа, като същевременно поддържат повече от 15 часа съхранение на енергия само с течни разтопени соли.

Програмата за генериране на концентрирана слънчева енергия 3 (CSP Gen3) на Министерството на енергетиката на САЩ ще развие тази технология отвъд съществуващите CSP системи на търговско ниво. Един от дизайнерските подходи, които се изследват в рамките на програмата CSP Gen3, е системата „Liquid Pathway“, която използва относително евтини-течни хлориди като съхранение на енергия и приемник на течен натрий при приблизително 740oC за пренос на топлина към суперкритичния въглероден диоксид (sCO2) енергиен цикъл. Целият sCO2 енергиен цикъл ще работи с по-висока ефективност и от традиционните парни цикли тип Ранкин.

Това представлява значителен напредък спрямо настоящите инсталации, които обикновено работят при около 565 градуса, използвайки нитратни соли. По-високите работни температури позволяват по-голяма ефективност и по-ниски равни разходи за енергия-целта Gen3 е под $60 за мегават-час.

Система с два -резервоара за разтопена сол позволява на операторите да циркулират сол през слънчеви приемници за зареждане (загряване на „горещия“ резервоар), а след това през топлообменници за генериране на пара, когато е необходимо изпразване. Термичната ефективност на самото съхранение е висока-съхраняването на топлина в изолирани резервоари надхвърля 90% ефективност за ежедневни цикли.

Ефективността на -обиколното пътуване за съхранение на електроенергия обаче е изправена пред фундаментално ограничение. Преобразуването на топлина обратно в електричество чрез парни турбини обикновено постига само 35-42% топлинна ефективност. Дори усъвършенстваните свръхкритични CO2 турбини се борят да надхвърлят 50%. За сравнение, литиево-йонните батерии рутинно надвишават 85% двупосочен коефициент на полезно действие.

Това намаление на ефективността означава, че CSP е най-подходящ за приложения, при които стойността на термичното съхранение-дългата продължителност, ниската цена на киловат{1}}час съхранение и способността за осигуряване на синхронно генериране-превъзхождат загубите при преобразуване. За съхранение в-мрежов мащаб с продължителност 6-12 часа, икономиката все още може да работи.

Развитието на възобновяеми източници на енергия за генериране на електричество, приносът на CSP за декарбонизацията на промишлените процеси и създаването на топлинни акумулатори позволиха на CSP да предоставят услуги извън електричеството. Много промишлени процеси изискват непрекъснато-подаване на пара или директна топлина в температурен диапазон от 300 до 550 градуса по Целзий, което включва процеси като производство на хартия, рафиниране на нефт и химическа обработка.

Чрез използването на много широкомащабни-системи за съхранение на топлинна енергия от разтопена сол CSPs могат да постигнат тази цел чрез осигуряване на технологична пара и/или прегрят въздух за промишлени приложения, както е необходимо в реално-време. Големият капацитет на тези системи за съхранение на топлинна енергия от разтопена-сол също предлага много{4}}ефективна алтернатива на електрохимичните батерии, с цена под $35 за киловат-час (kWh) използваема акумулирана топлинна енергия.

Има допълнителни методи за овладяване на слънчевата енергия, включително производство на слънчев водород и концентрирана слънчева енергия (CSP). Слънчевата енергия се преобразува в химическо гориво (водород) чрез фотоволтаична (PV) електролиза и фотокаталитични системи, които могат да се съхраняват за неопределено време. Водородът може да се използва за транспорт, промишленост и производство на електроенергия. Като алтернатива CSP използва слънчева светлина за генериране на топлина. След това CSP преобразува тази топлинна енергия в електричество за изпращане (подредено) доставяне.

Наблюдава се бърз напредък и в двете технологии. Повишената ефективност на преобразуване-в-водород е резултат от подобрени материали и системна интеграция; CSP продължава да настоява за по-високи работни температури и по-ниски разходи. Когато се комбинират, фотоволтаичната електролиза и CSP позволяват слънчев-захранван свят, в който не само слънцето осигурява енергия, където е необходимо, но също така произвежда лесно-съхраняваща се форма на гориво за осигуряване на енергия в извън-пиковите периоди през целия ден.

Земята получава огромно количество енергия от слънцето. Това е приблизително равно на 173 трилиона вата (1 трилион=1,000,000,000,000), удрящи земята всяка секунда. Предизвикателствата и възможностите за инженерите включват намирането на начини за използване на множество режими за улавяне на това огромно количество енергия от слънцето.