Iż-Żewġ Mogħdijiet tax-Xemx għall-Enerġija: Nifhmu l-Produzzjoni tal-Idroġenu Solari u l-Enerġija Solari Konċentrata

Filwaqt li ħafna individwi jaħsbu dwar l-elettriku solari bħala permezz ta 'pannelli fotovoltajċi li jużaw id-dawl tax-xemx għall-enerġija; hemm ħafna aktar modi fejn inti tista 'tieħu valur permezz tax-xemx milli sempliċiment pannelli fotovoltajċi. Pereżempju, tista' tutilizza x-xemx biex tipproduċi fjuwil tal-idroġenu nadif u tiġġenera enerġija ta' utilità-skala permezz tas-sħana. Hemm ftit teknoloġiji ġodda eċċitanti li qed jimbuttaw il-pakkett fuq l-enerġija solari: idroġenu minn sorsi ta 'enerġija solari u enerġija solari konċentrata (CSP).

L-idroġenu huwa magħruf bħala l-“karburant ta’ għada” għal diversi raġunijiet. L-idroġenu għandu madwar 142 MJ/kg kontenut ta' enerġija, u jekk tuża l-idroġenu f'ċellula tal-fjuwil, l-uniċi emissjonijiet prodotti huma mill-ilma. Madankollu, il-produzzjoni ta' ammonti kbar tal-fjuwil tal-idroġenu b'mod nadif, għadha sfida ewlenija għall-produzzjoni tal-idroġenu. Mod wieħed biex issolvi din il-kwistjoni huwa li tuża d-dawl tax-xemx biex taqsam l-ilma bħala mezz ta 'produzzjoni tal-idroġenu, dan il-proċess għandu żero emissjonijiet ta' gassijiet serra.

Hemm tliet tipi ewlenin ta’ produzzjoni ta’ idroġenu mill-enerġija solari li bħalissa jinsabu f’livelli ta’ maturità differenti:

L-ewwel teknoloġija (l-aktar matura) tuża pannelli fotovoltajċi (PV) flimkien ma 'elettrolizzaturi. L-elettrolizzaturi huma apparati elettriċi li jieħdu l-elettriku u jikkonvertu l-ilma għal idroġenu u ossiġnu billi jużaw is-sħana u t-trasferiment tas-sħana. Is-sistemi PV huma l-aktar żviluppati u faċilment disponibbli; Is-sistemi PV huma modulari ħafna u affidabbli; meta l-PV u l-elettrolizzatur huma konnessi mingħajr ebda apparat ta 'konverżjoni tal-enerġija, l-effiċjenza tal-konverżjoni STH tas-sistema kollha resqet lejn il-limitu teoretiku.

Ir-riċerka turi li s-sistemi PV konċentrati jaqbżu b'mod sinifikanti dawk konvenzjonali. Bl-użu ta 'ċelluli InGaP/GaAs/Ge taħt 750 suns konċentrazzjoni, ix-xjenzati kisbu effiċjenzi STH ta' 18-21% b'rati ta 'produzzjoni ta' 0.8-1.0 litri ta 'idroġenu kull minuta għal kull metru kwadru ta' żona tal-modulu. Moduli tas-silikon konvenzjonali taħt xemx waħda, b'paragun, kisbu biss madwar 9.4% effiċjenza STH b'rati ta 'produzzjoni madwar 0.3 L/min·m². Dan jirrappreżenta vantaġġ ta 'prestazzjoni ta' 1.5 sa 3 darbiet għal sistemi kkonċentrati.

L-elettroliżi tal-ilma għandha firxa effettiva ta 'użu bejn 70-80%, li tagħmel din l-għażla aktar attraenti meta jitqiesu l-prezzijiet tal-elettriku futuri li jiġġeddu. L-unika sfida ewlenija bħalissa hija l-prezz għoli tal-elettrolizzaturi u l-imprevedibbiltà tar-radjazzjoni solari, li tirriżulta fil-ħtieġa għal integrazzjoni bir-reqqa fis-sistema.

Is-sistemi fotoelettrokimiċi (PEC) jutilizzaw approċċ aktar integrat minn metodi preċedenti għall-elettroliżi tal-ilma billi l-ewwel jiġġeneraw enerġija elettrika u mbagħad jużaw dik l-enerġija għall-ġenerazzjoni tal-idroġenu mill-ilma. Il-PECs jutilizzaw materjali semikondutturi mgħaddsa fl-ilma, li huma kapaċi jassorbu d-dawl mix-xemx u jikkonvertuh direttament biex jaħżnu l-enerġija kimikament fil-forma ta 'idroġenu permezz tal-elettroliżi tal-ilma. Dan iseħħ meta d-dawl jolqot is-semikonduttur u joħloq pari ta 'elettroni/toqob. L-elettroni fil-mekkaniżmu tas-semikondutturi jnaqqsu l-protoni biex jiffurmaw idroġenu; it-toqob maħluqa se jossidaw il-molekuli tal-ilma li jipproduċu l-ossiġnu.

Il-PECs ġew riċerkati għall-ewwel darba madwar 50 sena ilu minn Shinichiro Fujishima u Honda meta sabu li elettrodu tad-dijossidu tat-titanju (TiO2) jista 'jaqsam H2O f'H2 u O2 meta flimkien ma' katodu/liga tal-platinu u mdawwal b'dawl UV. (Dan huwa dak li jissejjaħ "l-effett Honda-Fujishima")

Bħalissa, is-sistemi PEC għandhom disinn attraenti u kompatt bil-kapaċità li jiksbu konverżjoni diretta solari-għa-idroġenu permezz ta' mekkaniżmu sempliċi u eleganti. Minkejja dawn il-karatteristiċi tad-disinn pożittivi, it-teknoloġija PEC għadha fil-bidu relattiv tagħha u trid tegħleb xi sfidi sinifikanti qabel ma tkun tista' sseħħ il-kummerċjalizzazzjoni, bħal effiċjenza baxxa fil-konverżjoni tagħhom tax-xemx-għal-idroġenu, degradazzjoni tal-materjali użati biex jinħolqu ċelloli PEC, u skalabbiltà tal-prestazzjoni. Għalhekk, qed issir riċerka kontinwa f'materjali avvanzati u fotoelettrodi nanostrutturati ddisinjati biex jindirizzaw dawn il-kwistjonijiet.

Wieħed mill-aktar modi kreattivi ta 'kif isir dan huwa li tutilizza materjali semikondutturi ta' daqs nanoskala (imsejħa wkoll tikek quantum) imxerrda f'mezz milwiema bħala fotokatalisti. Mal-illuminazzjoni bid-dawl tax-xemx jipproduċu elettroni (u toqob) li jistgħu jemigraw lejn l-interface tal-partiċella u jibdew in-nofs reazzjonijiet ta 'ossidazzjoni u tnaqqis rispettivi msemmija bħala evoluzzjoni tal-idroġenu u evoluzzjoni tal-ossiġnu rispettivament.

Is-sistema ta' fotokatalizzatur ta' partikula waħda, jew is-sistema ta' eċitazzjoni ta'-pass wieħed, teħtieġ li l-bandgap tas-semikondutturi tgħaqqad kemm il-potenzjal tal-evoluzzjoni tal-idroġenu kif ukoll il-potenzjal tal-evoluzzjoni tal-ossiġnu. Hemm ukoll sistema ta' fotokatalizzatur b'żewġ-partijiet jew konfigurazzjoni ta' fotokatalizzatur "Z-skema" fejn żewġ fotokatalizzaturi differenti huma marbuta flimkien minn medjatur kimiku (jiġifieri koppja redox) sabiex il-qsim tal-ilma jseħħ f'żewġ stadji distinti jew nofs reazzjonijiet. Dan inaqqas b'mod sinifikanti l-enerġija meħtieġa għal kull reazzjoni, filwaqt li jippermetti li tiġi utilizzata varjetà akbar ta 'dawl viżibbli.

Riżultati riċenti juru l-potenzjal ta' dan l-approċċ. Tim ta 'riċerka Ċiniż immexxi minn Liu Gang fl-Istitut tar-Riċerka tal-Metall saħħaħ id-dijossidu tat-titanju-il-materjal fotokatalitiku ewlieni-billi żied l-iskandju permezz ta' "tiswir mill-ġdid strutturali" u "sostituzzjoni tal-element." Il-jonji tal-iskandju jidħlu bla xkiel fil-kannizzata tal-materjal, u jneħħu "żoni tan-nassa" li normalment iqabbdu l-elettroni, u jsawru mill-ġdid il-wiċċ tal-kristall biex jiffurmaw "awtostradi elettroniċi" li jiggwidaw it-trasportaturi tal-ħlas b'mod effiċjenti.

Il-materjal imtejjeb juża aktar minn 30% tad-dawl ultravjola u jikseb rata ta 'produzzjoni ta' idroġenu taħt dawl tax-xemx simulat 15-il darba ogħla minn verżjonijiet preċedenti. Skont it-tim ta' riċerka, panel fotokatalitiku ta'-metru kwadru-wieħed jista' jipproduċi madwar 10 litri ta' idroġenu kuljum taħt id-dawl tax-xemx.

Filwaqt li l-fotokatalisi tal-partikuli tibqa' fil-laboratorju, il-potenzjal tagħha għall-iskjerament ta'-skala kbira huwa konvinċenti. Il-fotokatalizzaturi tal--forma ta' trab huma aktar sempliċi biex jiġu mmaniġġjati u aktar faċli biex jinfirxu fuq żoni kbar bl-użu ta' proċessi potenzjalment irħas meta mqabbla ma' sistemi PV-elettroliżi jew PEC.

L-Enerġija Solari Konċentrata (CSP) tieħu approċċ fundamentalment differenti biex tisfrutta x-xemx. Minflok ma jikkonverti d-dawl direttament f'elettriku, CSP juża mirja biex jikkonċentra d-dawl tax-xemx, jiġġenera sħana b'temperatura għolja-, u mbagħad isuq turbini konvenzjonali biex jipproduċi l-elettriku.

Il-kunċett fundamentali huwa sempliċi ħafna. Heliostats, jew arranġamenti ta 'mirja, isegwu l-kors tax-Xemx ta' kuljum u jirriflettu r-raġġi tax-Xemx għal kollettur li jinsab fil-quċċata ta 'torri. Din il-konċentrazzjoni tad-dawl tax-xemx tintuża biex issaħħan fluwidu tax-xogħol għal temperaturi għoljin ħafna, u ladarba tiġi prodotta s-sħana, il-fluwidu tax-xogħol imsaħħan jintuża fil-ġenerazzjoni tal-fwar li jdur turbina li tmexxi l-ġeneratur.

Il-kapaċità li tinkorpora l-ħażna tal-enerġija termali f'sistema CSP hija dak li jagħmel CSP ta 'tali valur. Is-sħana prodotta mill-proċess ta 'konċentrazzjoni tar-raġġi tax-Xemx tista' tinqabad u tinħażen għal sigħat, li jfisser li l-ġenerazzjoni tal-elettriku mis-sistema CSP tista 'sseħħ ħafna wara nżul ix-xemx. L-aspett li jista' jintbagħat tas-CSP-jiġifieri, meta jkollok bżonn l-elettriku tista' tipproduċih-huwa dak li jiddistingwi CSP mis-sistemi solari PV, li jieqfu milli jipproduċu l-elettriku meta jibda jsawwab jew bil-lejl.

It-teknoloġija li tinsab fil-quċċata tal-piramida bħalissa (Gemasolar fi Spanja, Crescent Dunes f'Nevada u Noor III) karatteristiċi melħ imdewweb likwidu li qed jintuża mhux biss għat-trasferiment tas-sħana, iżda wkoll għall-ħażna tal-enerġija. It-tliet sistemi kollha wrew b'suċċess il-kapaċità li joperaw kontinwament għal 24 siegħa sħaħ filwaqt li jżommu aktar minn 15-il siegħa ta 'ħażna tal-enerġija b'melħ imdewweb likwidu biss.

Il-programm tal-Ġenerazzjoni tal-Enerġija Solari Konċentrata 3 (CSP Gen3) tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti se javvanza din it-teknoloġija lil hinn mis-sistemi CSP ta 'livell kummerċjali eżistenti. Wieħed mill-approċċi tad-disinn li qed jiġi esplorat taħt il-programm CSP Gen3 huwa s-sistema "Liquid Pathway", li tuża kloruri likwidi bi prezz relattivament baxx bħala ħażna tal-enerġija, u riċevitur tas-sodju likwidu f'madwar 740oC biex tittrasferixxi s-sħana għaċ-ċiklu tal-enerġija tad-dijossidu tal-karbonju superkritiku (sCO2). Iċ-ċiklu kollu tal-enerġija sCO2 se jopera b'effiċjenza ogħla minn ċikli tradizzjonali tat-tip Rankine tal-fwar, ukoll.

Dan jirrappreżenta avvanz sinifikanti mill-impjanti attwali, li tipikament joperaw f'madwar 565 grad bl-użu ta 'melħ tan-nitrat. Temperaturi operattivi ogħla jippermettu effiċjenza akbar u jbaxxu l-ispiża livellata tal-enerġija-il-mira Gen3 hija taħt $60 kull megawatt-siegħa.

Sistema ta' melħ imdewweb b'żewġ-tankijiet tippermetti lill-operaturi jiċċirkolaw il-melħ permezz ta' riċevituri solari biex jiċċarġjaw (tisħin tat-tank "sħun"), u mbagħad permezz ta' skambjaturi tas-sħana biex jiġġeneraw fwar meta jkun meħtieġ skariku. L-effiċjenza termali tal-ħażna nnifisha hija għolja-il-ħażna tas-sħana f'tankijiet iżolati taqbeż l-effiċjenza ta '90% għal ċikli ta' kuljum.

L-effiċjenza tal-vjaġġ bir-ritorn għall-ħażna tal-elettriku, madankollu, tiffaċċja limitazzjoni fundamentali. Il-konverżjoni tas-sħana lura għall-elettriku permezz ta' turbini tal-fwar tipikament tikseb biss effiċjenza termali ta' 35-42%. Anke turbini tas-CO2 superkritiċi avvanzati jitħabtu biex jaqbżu l-50%. Għal tqabbil, il-batteriji tal-litju-jone ta' rutina jaqbżu l-effiċjenza ta' 85% round-trip.

Din il-penali għall-effiċjenza tfisser li CSP huwa l-aktar adattat għal applikazzjonijiet fejn il-valur tal-ħażna termali-tul ta' żmien twil, spiża baxxa għal kull kilowatt-siegħa ta' ħażna, u l-abbiltà li tipprovdi ġenerazzjoni sinkronika-jegħleb it-telf tal-konverżjoni. Għal grid-ħażna fuq skala li ddum 6-12-il siegħa, l-ekonomija xorta tista 'taħdem.

L-iżvilupp ta’ sorsi rinnovabbli ta’ enerġija biex jiġġeneraw l-elettriku, il-kontribut tas-CSP għad-dekarbonizzazzjoni tal-proċessi industrijali, u l-ħolqien ta’ ħażna termali kollha ppermettew lis-CSPs jipprovdu servizzi lil hinn mill-elettriku biss. Ħafna proċessi industrijali jeħtieġu provvisti kontinwi, fuq talba{1}}ta' fwar jew sħana diretta f'medda ta' temperatura ta' 300 sa 550 grad Celsius, li tinkludi proċessi bħall-manifattura tal-karta, ir-raffinar taż-żejt, u l-ipproċessar kimiku.

Billi jużaw sistemi ta' ħażna ta' enerġija termali tal-melħ imdewweb fuq skala kbira-, is-CSPs jistgħu jiksbu dan il-għan billi jipprovdu fwar tal-proċess u/jew arja superheat għal applikazzjonijiet industrijali kif meħtieġ f'-ħin reali. Il-kapaċitajiet kbar ta' dawn is-sistemi ta' ħażna ta' enerġija termali tal-melħ imdewweb-offru wkoll alternattiva-effettiva ħafna għall-batteriji elettrokimiċi, li għandhom spiża ta' inqas minn $35 għal kull kilowatt-siegħa (kWh) ta' ħażna ta' enerġija termali użabbli.

Hemm metodi kumplimentari għall-użu tal-enerġija tax-xemx, inkluża l-produzzjoni tal-idroġenu solari u l-enerġija solari konċentrata (CSP). L-enerġija tax-xemx tiġi kkonvertita f'karburant kimiku (idroġenu) permezz ta' elettroliżi fotovoltajka (PV) u sistemi fotokatalitiċi li jistgħu jinħażnu b'mod indefinit. L-idroġenu jista 'jintuża għat-trasport, l-industrija u l-ġenerazzjoni tal-elettriku. Alternattivament, CSP juża d-dawl tax-xemx biex jiġġenera s-sħana. CSP imbagħad jikkonverti dik l-enerġija termali f'elettriku għal kunsinna li tista' tintbagħat (ordni).

Qed iseħħu avvanzi rapidi fiż-żewġ teknoloġiji. Żieda fl-effiċjenzi tal-konverżjoni solari-għa-idroġenu jirriżultaw minn materjali mtejba u integrazzjoni tas-sistema; Is-CSP tkompli timbotta għal temperaturi operattivi ogħla u spejjeż aktar baxxi. Meta kkombinati, l-elettroliżi PV u CSP jippermettu dinja li taħdem bix-xemx-li fiha mhux biss ix-xemx tipprovdi l-enerġija fejn meħtieġ iżda wkoll tipproduċi forma ta' fjuwil-maħżuna faċilment biex tipprovdi enerġija fil-perjodi off-peak matul il-ġurnata.

Id-dinja tirċievi provvista massiva ta 'enerġija mix-xemx. Dan huwa bejn wieħed u ieħor l-ekwivalenti ta’ 173 triljun watt (1 triljun=1,000,000,000,000) li jolqtu d-dinja kull sekonda. L-isfidi u l-opportunitajiet għall-inġiniera jinkludu s-sejbien ta’ modi kif jiġu utilizzati modi multipli biex jaqbdu din il-provvista vasta ta’ enerġija mix-xemx.