Dau Lwybr yr Haul i Bwer: Deall Cynhyrchu Hydrogen Solar a Phŵer Solar Crynodol

Er bod y rhan fwyaf o unigolion yn meddwl am drydan solar fel trwy baneli ffotofoltäig sy'n defnyddio golau'r haul ar gyfer ynni; mae llawer mwy o ffyrdd lle gallwch gael gwerth trwy'r haul na dim ond paneli ffotofoltäig. Er enghraifft, gallwch ddefnyddio'r haul i gynhyrchu tanwydd hydrogen glân a chynhyrchu pŵer cyfleustodau trwy wres. Mae yna gwpl o dechnolegau newydd cyffrous sy'n gwthio'r amlen ar ynni solar: hydrogen o ffynonellau ynni solar a phŵer solar crynodedig (CSP).

Gelwir hydrogen yn "danwydd yfory" am sawl rheswm. Mae gan hydrogen gynnwys ynni tua 142 MJ/kg, ac os ydych yn defnyddio hydrogen mewn cell danwydd, yr unig allyriadau a gynhyrchir yw dŵr. Fodd bynnag, mae cynhyrchu symiau mawr o'r tanwydd hydrogen yn lân, yn dal i fod yn her fawr ar gyfer cynhyrchu hydrogen. Un ffordd o ddatrys y mater hwn yw defnyddio golau'r haul i hollti dŵr fel ffordd o gynhyrchu hydrogen, nid oes gan y broses hon allyriadau nwyon tŷ gwydr sero.

Mae tri phrif fath o gynhyrchu hydrogen o ynni solar sydd ar hyn o bryd ar lefelau aeddfedrwydd gwahanol:

Mae'r dechnoleg gyntaf (mwyaf aeddfed) yn defnyddio paneli ffotofoltäig (PV) ynghyd ag electrolyzers. Mae electrolyteswyr yn ddyfeisiadau trydan sy'n cymryd trydan ac yn trosi dŵr yn hydrogen ac ocsigen trwy ddefnyddio trosglwyddo gwres a gwres. Mae systemau ffotofoltäig wedi'u datblygu fwyaf ac ar gael yn rhwydd; Mae systemau PV yn fodiwlaidd iawn ac yn ddibynadwy; pan fydd PV ac electrolyzer wedi'u cysylltu heb unrhyw ddyfeisiau trosi pŵer, mae effeithlonrwydd trosi STH y system gyfan wedi cyrraedd y terfyn damcaniaethol.

Mae ymchwil yn dangos bod systemau ffotofoltäig crynodedig yn perfformio'n sylweddol well na'r rhai confensiynol. Gan ddefnyddio celloedd InGaP/GaAs/Ge o dan grynodiad o 750 o haul, cyflawnodd gwyddonwyr effeithlonrwydd STH o 18-21% gyda chyfraddau cynhyrchu o 0.8-1.0 litr o hydrogen y funud fesul metr sgwâr o arwynebedd y modiwl. Mewn cymhariaeth, dim ond tua 9.4% o effeithlonrwydd STH a gyflawnodd modiwlau silicon confensiynol o dan un haul gyda chyfraddau cynhyrchu tua 0.3 L/mun·m². Mae hyn yn cynrychioli mantais perfformiad o 1.5 i 3 gwaith ar gyfer systemau crynodedig.

Mae gan electrolysis dŵr ystod defnydd effeithiol rhwng 70-80%, sy'n gwneud yr opsiwn hwn yn fwy deniadol wrth ystyried prisiau trydan ynni adnewyddadwy yn y dyfodol. Yr unig her fawr ar hyn o bryd yw pris uchel electrolyzers a natur anrhagweladwy ymbelydredd solar, gan arwain at yr angen am integreiddio gofalus i'r system.

Mae systemau ffotoelectrocemegol (PEC) yn defnyddio dull mwy integredig na dulliau blaenorol ar gyfer electrolysis dŵr trwy gynhyrchu ynni trydanol yn gyntaf ac yna defnyddio'r ynni hwnnw i gynhyrchu hydrogen o ddŵr. Mae PECs yn defnyddio deunyddiau lled-ddargludyddion sydd wedi'u boddi mewn dŵr, sy'n gallu amsugno golau o'r haul a'i drawsnewid yn uniongyrchol i storio ynni'n gemegol ar ffurf hydrogen trwy electrolysis dŵr. Mae hyn yn digwydd pan fydd golau yn taro'r lled-ddargludydd gan greu parau o electronau/tyllau. Mae'r electronau yn y mecanwaith lled-ddargludyddion yn lleihau protonau i ffurfio hydrogen; bydd y tyllau a grëir yn ocsideiddio'r moleciwlau dŵr sy'n cynhyrchu ocsigen.

Ymchwiliwyd i PECs am y tro cyntaf tua 50 mlynedd yn ôl gan Shinichiro Fujishima a Honda pan ddarganfuwyd y gallai electrod titaniwm deuocsid (TiO2) hollti H2O yn H2 ac O2 o'i gyfuno â catod/aloi platinwm a'i oleuo â golau UV. (Dyma'r hyn y cyfeirir ato fel "effaith Honda-Fujishima")

Ar hyn o bryd, mae gan systemau PEC ddyluniad cryno, deniadol gyda'r gallu i drawsnewid solar uniongyrchol i hydrogen trwy fecanwaith syml a chain. Er gwaethaf y nodweddion dylunio cadarnhaol hyn, mae technoleg PEC yn ei ddyddiau cynnar o hyd a rhaid iddi oresgyn rhai heriau sylweddol cyn y gall masnacheiddio ddigwydd, megis effeithlonrwydd isel yn eu-trosi hydrogen, diraddio deunyddiau a ddefnyddir i greu celloedd PEC, a scalability perfformiad. Felly, mae ymchwil barhaus yn cael ei chynnal i ddeunyddiau uwch a ffotoelectrodau nanostrwythuredig sydd wedi'u cynllunio i fynd i'r afael â'r materion hyn.

Un o'r ffyrdd mwyaf creadigol o wneud hyn yw defnyddio deunyddiau lled-ddargludyddion maint nano-raddfa (a elwir hefyd yn ddotiau cwantwm) wedi'u gwasgaru mewn cyfrwng dyfrllyd fel ffotogatalyddion. Ar ôl cael eu goleuo â golau'r haul maent yn cynhyrchu electronau (a thyllau) a all fudo i ryngwyneb y gronyn a chychwyn yr adweithiau hanner ocsidiad a lleihau priodol y cyfeirir atynt fel esblygiad hydrogen ac esblygiad ocsigen yn y drefn honno.

Mae'r system ffotocatalyst gronyn sengl, neu system excitation un-cam, yn ei gwneud yn ofynnol bod bwlch band y lled-ddargludydd yn pontio'r potensial esblygiad hydrogen a'r potensial esblygiad ocsigen. Mae yna hefyd system ffotocatalyst dwy ran neu ffurfweddiad ffotocatalyst "Z-cynllun" lle mae dau ffotocatalyst gwahanol yn cael eu clymu at ei gilydd gan gyfryngwr cemegol (hy cwpl rhydocs) fel bod hollti dŵr yn digwydd mewn dau gam neu hanner adwaith. Mae hyn yn lleihau'n sylweddol yr egni sydd ei angen ar gyfer pob adwaith, tra'n caniatáu i fwy o amrywiaeth o olau gweladwy gael ei ddefnyddio.

Mae datblygiadau diweddar yn dangos potensial y dull hwn. Fe wnaeth tîm ymchwil Tsieineaidd dan arweiniad Liu Gang yn y Sefydliad Ymchwil Metel wella titaniwm deuocsid-y deunydd ffotocatalytig allweddol-drwy ychwanegu sgandiwm drwy "ail-lunio strwythurol" ac "amnewid elfennau." Mae'r ïonau sgandiwm yn ffitio'n esmwyth i dellt y deunydd, gan ddileu "parthau trap" sydd fel arfer yn snagio electronau, ac yn ail-lunio'r wyneb grisial i ffurfio "priffyrdd electronig" sy'n arwain cludwyr gwefr yn effeithlon.

Mae'r deunydd gwell yn defnyddio dros 30% o olau uwchfioled ac yn cyflawni cyfradd cynhyrchu hydrogen o dan olau haul efelychiadol 15 gwaith yn uwch na fersiynau cynharach. Yn ôl y tîm ymchwil, gallai panel ffotocatalytig un metr sgwâr gynhyrchu tua 10 litr o hydrogen y dydd o dan olau'r haul.

Er bod ffotocatalysis gronynnol yn parhau yn y labordy, mae ei botensial ar gyfer defnydd ar raddfa fawr yn gymhellol. Mae -ffotogatalyddion ffurf powdr yn symlach i'w trin ac yn fwy parod i'w lledaenu dros ardaloedd mawr gan ddefnyddio prosesau a allai fod yn rhad o'u cymharu â systemau electrolysis PV neu PEC.

Mae Pŵer Solar Crynodol (CSP) yn defnyddio dull sylfaenol wahanol o harneisio'r haul. Yn hytrach na throsi golau yn drydan yn uniongyrchol, mae PDC yn defnyddio drychau i grynhoi golau'r haul, cynhyrchu gwres tymheredd uchel, ac yna gyrru tyrbinau confensiynol i gynhyrchu trydan.

Mae'r cysyniad sylfaenol yn syml iawn. Mae heliostats, neu drefniannau o ddrychau, yn dilyn cwrs dyddiol yr Haul ac yn adlewyrchu pelydrau'r Haul i gasglwr sydd wedi'i leoli ar ben tŵr. Defnyddir y crynodiad hwn o olau haul i gynhesu hylif gweithio i dymheredd uchel iawn, ac ar ôl i'r gwres gael ei gynhyrchu, defnyddir yr hylif gweithio wedi'i gynhesu i gynhyrchu stêm a fydd yn cylchdroi tyrbin yn gyrru'r generadur.

Y gallu i ymgorffori storio ynni thermol mewn system PDC yw'r hyn sy'n gwneud PDC mor werthfawr. Gall y gwres a gynhyrchir gan y broses o ganolbwyntio pelydrau'r Haul gael ei ddal a'i storio am oriau, sy'n golygu y gall cynhyrchu trydan o'r system PDC ddigwydd ymhell ar ôl machlud haul. Agwedd anfonadwy CSP-hynny yw, pan fydd angen trydan arnoch gallwch ei gynhyrchu-yw'r hyn sy'n gwahaniaethu CSP oddi wrth systemau solar PV, sy'n rhoi'r gorau i gynhyrchu trydan pan fydd yn dechrau cymylu dros nos neu yn ystod y nos.

Mae'r dechnoleg a geir ar frig y pyramid ar hyn o bryd (Gemasolar yn Sbaen, Crescent Dunes yn Nevada a Noor III) yn cynnwys halen tawdd hylifol yn cael ei ddefnyddio nid yn unig ar gyfer trosglwyddo gwres, ond hefyd i storio ynni. Mae'r tair system wedi dangos yn llwyddiannus y gallu i weithredu'n barhaus am 24 awr lawn tra'n cynnal mwy na 15 awr o storio ynni gyda halwynau tawdd hylif yn unig.

Bydd rhaglen Cynhyrchu Pŵer Solar Crynodedig 3 (CSP Gen3) Adran Ynni'r UD yn datblygu'r dechnoleg hon y tu hwnt i'r systemau CSP lefel fasnachol presennol. Un o'r dulliau dylunio sy'n cael ei archwilio o dan raglen CSP Gen3 yw'r system "Llwybr Hylif", sy'n defnyddio cloridau hylif cost cymharol isel fel storfa ynni, a derbynnydd sodiwm hylif ar tua 740oC i drosglwyddo gwres i'r cylch pŵer carbon deuocsid uwch-gritigol (sCO2). Bydd y cylch pŵer sCO2 cyfan yn gweithredu ar effeithlonrwydd uwch na chylchoedd math Rankine stêm traddodiadol hefyd.

Mae hyn yn cynrychioli datblygiad sylweddol o weithfeydd presennol, sydd fel arfer yn gweithredu tua 565 gradd gan ddefnyddio halwynau nitrad. Mae tymereddau gweithredu uwch yn galluogi mwy o effeithlonrwydd ac yn gostwng cost ynni wedi'i lefelu-mae targed Gen3 yn is na $60 y megawat-awr.

Mae system halen tawdd dau danc yn caniatáu i weithredwyr gylchredeg halen trwy dderbynyddion solar i wefru (cynhesu'r tanc "poeth"), ac yna trwy gyfnewidwyr gwres i gynhyrchu stêm pan fydd angen gollwng. Mae effeithlonrwydd thermol storio ei hun yn uchel-mae storio gwres mewn tanciau wedi'u hinswleiddio yn fwy na 90% o effeithlonrwydd ar gyfer cylchoedd dyddiol.

Fodd bynnag, mae'r effeithlonrwydd tripio crwn ar gyfer storio trydan yn wynebu cyfyngiad sylfaenol. Mae trosi gwres yn ôl i drydan trwy dyrbinau stêm fel arfer yn cyflawni dim ond 35- effeithlonrwydd thermol 42%. Mae hyd yn oed tyrbinau CO2 uwch-gritigol yn ei chael hi'n anodd mynd y tu hwnt i 50%. Er mwyn cymharu, mae batris ïon lithiwm yn fwy na 85% o effeithlonrwydd taith gron fel mater o drefn.

Mae'r gosb effeithlonrwydd hon yn golygu bod CSP yn fwyaf addas ar gyfer cymwysiadau lle mae gwerth storio thermol-hyd hir, cost isel fesul cilowat-awr storio, a'r gallu i ddarparu cynhyrchu cydamserol-yn gorbwyso'r colledion trosi. Ar gyfer -storfa ar raddfa grid sy'n para 6-12 awr, gall yr economeg weithio o hyd.

Mae datblygu ffynonellau ynni adnewyddadwy i gynhyrchu trydan, cyfraniad PDC at ddatgarboneiddio prosesau diwydiannol, a chreu storfa thermol oll wedi caniatáu i Bartneriaethau Diogelwch Cymunedol ddarparu gwasanaethau y tu hwnt i drydan yn unig. Mae llawer o brosesau diwydiannol angen cyflenwadau parhaus o stêm neu wres uniongyrchol ar-alw o fewn ystod tymheredd o 300 i 550 gradd Celsius, sy'n cynnwys prosesau fel gweithgynhyrchu papur, puro olew, a phrosesu cemegol.

Trwy ddefnyddio systemau storio ynni thermol halen tawdd ar raddfa fawr iawn, gall Partneriaethau Diogelwch Cymunedol gyflawni'r nod hwn trwy ddarparu ager proses a/neu aer gwres uwch ar gyfer cymwysiadau diwydiannol yn ôl yr angen mewn-amser real. Mae cynhwysedd mawr y systemau storio ynni thermol halen tawdd hyn hefyd yn cynnig dewis arall cost-effeithiol i fatris electrocemegol, gyda chost o lai na $35 y cilowat-awr (kWh) o storio ynni thermol defnyddiadwy.

Mae yna ddulliau cyflenwol ar gyfer harneisio ynni'r haul, gan gynnwys cynhyrchu hydrogen solar a phŵer solar crynodedig (CSP). Mae ynni'r haul yn cael ei drawsnewid yn danwydd cemegol (hydrogen) trwy electrolysis ffotofoltäig (PV) a systemau ffotocatalytig y gellir eu storio am gyfnod amhenodol. Gellir defnyddio hydrogen ar gyfer cludiant, diwydiant a chynhyrchu trydan. Fel arall, mae PDC yn defnyddio golau'r haul i gynhyrchu gwres. Yna mae PDC yn trosi'r ynni thermol hwnnw yn drydan i'w ddosbarthu (yn drefnus).

Mae datblygiadau cyflym yn y ddwy dechnoleg yn digwydd. Mae cynnydd mewn effeithlonrwydd trosi solar i-hydrogen yn deillio o well integreiddio deunyddiau ac systemau; Mae PDC yn parhau i wthio am dymereddau gweithredu uwch a chostau is. O'u cyfuno, mae electrolysis PV a CSP yn caniatáu ar gyfer byd sy'n cael ei bweru gan yr haul lle mae'r haul nid yn unig yn darparu ynni lle bo angen ond hefyd yn cynhyrchu math o danwydd sydd wedi'i storio'n hawdd i ddarparu ynni yn ystod y cyfnodau tawelaf trwy gydol y dydd.

Mae'r ddaear yn derbyn cyflenwad enfawr o ynni o'r haul. Mae hyn yn cyfateb yn fras i 173 triliwn o wat (1 triliwn=1,000,000,000,000) yn taro'r ddaear bob eiliad. Mae'r heriau a'r cyfleoedd i beirianwyr yn cynnwys dod o hyd i ffyrdd o ddefnyddio dulliau lluosog i ddal y cyflenwad helaeth hwn o ynni o'r haul.