Dua Laluan Matahari Menuju Kuasa: Memahami Pengeluaran Hidrogen Suria dan Tenaga Suria Pekat

Walaupun kebanyakan individu berfikir tentang elektrik solar sebagai melalui panel fotovoltaik menggunakan cahaya matahari untuk tenaga; terdapat banyak lagi cara di mana anda boleh memperoleh nilai melalui matahari daripada hanya panel fotovoltaik. Contohnya, anda boleh menggunakan matahari untuk menghasilkan bahan api hidrogen yang bersih dan menjana kuasa skala utiliti-melalui haba. Terdapat beberapa teknologi baharu yang menarik yang mendorong penggunaan tenaga suria: hidrogen daripada sumber tenaga suria dan tenaga suria pekat (CSP).

Hidrogen dikenali sebagai "bahan api esok" kerana beberapa sebab. Hidrogen mempunyai lebih kurang 142 MJ/kg kandungan tenaga, dan jika anda menggunakan hidrogen dalam sel bahan api, satu-satunya pelepasan yang dihasilkan adalah oleh air. Walau bagaimanapun, menghasilkan sejumlah besar bahan api hidrogen secara bersih, masih merupakan cabaran utama untuk menghasilkan hidrogen. Salah satu cara untuk menyelesaikan masalah ini ialah menggunakan cahaya matahari untuk membelah air sebagai cara pengeluaran hidrogen, proses ini mempunyai sifar pelepasan gas rumah hijau.

Terdapat tiga jenis utama pengeluaran hidrogen daripada tenaga suria yang kini berada pada tahap kematangan yang berbeza:

Teknologi pertama (paling matang) menggunakan panel fotovoltaik (PV) ditambah dengan elektrolisis. Electrolyzers ialah peranti elektrik yang mengambil elektrik dan menukar air kepada hidrogen dan oksigen dengan menggunakan pemindahan haba dan haba. Sistem PV paling maju dan mudah didapati; Sistem PV sangat modular dan boleh dipercayai; apabila PV dan elektrolisis disambungkan tanpa sebarang peranti penukaran kuasa, kecekapan penukaran STH keseluruhan sistem telah menghampiri had teori.

Penyelidikan menunjukkan bahawa sistem PV tertumpu dengan ketara mengatasi prestasi konvensional. Menggunakan sel InGaP/GaAs/Ge di bawah kepekatan 750 matahari, saintis mencapai kecekapan STH sebanyak 18-21% dengan kadar pengeluaran 0.8-1.0 liter hidrogen seminit setiap meter persegi keluasan modul. Modul silikon konvensional di bawah satu matahari, secara perbandingan, mencapai hanya kira-kira 9.4% kecekapan STH dengan kadar pengeluaran sekitar 0.3 L/min·m². Ini mewakili kelebihan prestasi sebanyak 1.5 hingga 3 kali ganda untuk sistem tertumpu.

Elektrolisis air mempunyai julat penggunaan yang berkesan antara 70-80%, menjadikan pilihan ini lebih menarik apabila mempertimbangkan harga elektrik boleh diperbaharui pada masa hadapan. Satu-satunya cabaran utama sekarang ialah harga elektrolisis yang tinggi dan sinaran suria yang tidak dapat diramalkan, menyebabkan keperluan untuk penyepaduan yang teliti ke dalam sistem.

Sistem fotoelektrokimia (PEC) menggunakan pendekatan yang lebih bersepadu daripada kaedah sebelumnya untuk elektrolisis air dengan mula-mula menjana tenaga elektrik dan kemudian menggunakan tenaga itu untuk menjana hidrogen daripada air. PEC menggunakan bahan semikonduktor yang terendam dalam air, yang mampu menyerap cahaya dari matahari dan menukarkannya secara langsung untuk menyimpan tenaga secara kimia dalam bentuk hidrogen melalui elektrolisis air. Ini berlaku apabila cahaya mengenai semikonduktor menghasilkan pasangan elektron/lubang. Elektron dalam mekanisme semikonduktor mengurangkan proton untuk membentuk hidrogen; lubang yang dibuat akan mengoksidakan molekul air yang menghasilkan oksigen.

PEC pertama kali dikaji kira-kira 50 tahun yang lalu oleh Shinichiro Fujishima dan Honda apabila mereka mendapati bahawa elektrod titanium dioksida (TiO2) boleh membelah H2O kepada H2 dan O2 apabila digabungkan dengan katod/aloi platinum dan diterangi dengan cahaya UV. (Inilah yang dirujuk sebagai "Honda-kesan Fujishima")

Pada masa ini, sistem PEC mempunyai reka bentuk yang menarik dan padat dengan keupayaan untuk mencapai penukaran solar-ke-hidrogen terus melalui mekanisme yang ringkas dan elegan. Walaupun ciri reka bentuk yang positif ini, teknologi PEC masih di peringkat awal dan mesti mengatasi beberapa cabaran penting sebelum pengkomersialan boleh berlaku, seperti kecekapan rendah dalam-kepada-penukaran hidrogen solar mereka, degradasi bahan yang digunakan untuk mencipta sel PEC dan kebolehskalaan prestasi. Oleh itu, penyelidikan berterusan sedang dijalankan terhadap bahan termaju dan fotoelektrod berstruktur nano yang direka untuk menangani isu ini.

Salah satu cara yang lebih kreatif untuk melakukan ini ialah menggunakan bahan semikonduktor bersaiz nano (juga dipanggil titik kuantum) yang tersebar dalam medium akueus sebagai fotomangkin. Selepas pencahayaan dengan cahaya matahari, mereka menghasilkan elektron (dan lubang) yang boleh berhijrah ke antara muka zarah dan memulakan pengoksidaan dan pengurangan separuh tindak balas masing-masing yang dirujuk sebagai evolusi hidrogen dan evolusi oksigen.

Sistem fotomangkin zarah tunggal, atau sistem pengujaan satu-langkah, memerlukan celah jalur semikonduktor mengatasi kedua-dua potensi evolusi hidrogen dan potensi evolusi oksigen. Terdapat juga dua-sistem fotomangkin atau konfigurasi fotomangkin "Z-skema" di mana dua fotomangkin berbeza diikat bersama oleh pengantara kimia (iaitu pasangan redoks) supaya pemisahan air berlaku dalam dua langkah atau separuh tindak balas yang berbeza. Ini dengan ketara merendahkan tenaga yang diperlukan untuk setiap tindak balas, sambil membenarkan lebih banyak jenis cahaya kelihatan digunakan.

Penemuan terkini menunjukkan potensi pendekatan ini. Pasukan penyelidik China yang diketuai oleh Liu Gang di Institut Penyelidikan Logam mempertingkatkan titanium dioksida-bahan fotomangkin utama-dengan menambahkan skandium melalui "pembentukan semula struktur" dan "penggantian unsur." Ion skandium sesuai dengan lancar ke dalam kekisi bahan, mengeluarkan "zon perangkap" yang biasanya memerangkap elektron, dan membentuk semula permukaan kristal untuk membentuk "lebuh raya elektronik" yang membimbing pembawa cas dengan cekap.

Bahan yang dipertingkatkan menggunakan lebih 30% cahaya ultraungu dan mencapai kadar pengeluaran hidrogen di bawah cahaya matahari simulasi 15 kali lebih tinggi daripada versi terdahulu. Menurut pasukan penyelidik, panel fotopemangkin satu-persegi-meter boleh menghasilkan sekitar 10 liter hidrogen sehari di bawah cahaya matahari.

Walaupun fotocatalisis zarah kekal dalam makmal, potensinya untuk-penyediaan besar-besaran adalah menarik. Pemangkin foto bentuk serbuk-lebih mudah dikendalikan dan lebih mudah untuk disebarkan ke kawasan yang luas menggunakan proses yang berpotensi murah berbanding dengan PV-elektrolisis atau sistem PEC.

Tenaga Suria Pekat (CSP) mengambil pendekatan yang berbeza secara asas untuk memanfaatkan matahari. Daripada menukar cahaya terus kepada elektrik, CSP menggunakan cermin untuk menumpukan cahaya matahari, menjana-haba suhu tinggi dan kemudian memacu turbin konvensional untuk menghasilkan tenaga elektrik.

Konsep asasnya sangat mudah. Heliostat, atau susunan cermin, mengikut perjalanan harian Matahari dan memantulkan sinaran Matahari kepada pengumpul yang terletak di bahagian atas menara. Kepekatan cahaya matahari ini digunakan untuk memanaskan bendalir kerja ke suhu yang sangat tinggi, dan setelah haba dihasilkan, bendalir kerja yang dipanaskan digunakan dalam penjanaan stim yang akan memutarkan turbin yang memacu penjana.

Keupayaan untuk memasukkan storan tenaga haba ke dalam sistem CSP adalah yang menjadikan CSP mempunyai nilai sedemikian. Haba yang dihasilkan oleh proses menumpukan sinaran Matahari boleh ditangkap dan disimpan selama berjam-jam, bermakna penjanaan elektrik daripada sistem CSP boleh berlaku lama selepas matahari terbenam. Aspek CSP yang boleh dihantar-iaitu, apabila anda memerlukan elektrik, anda boleh menghasilkannya-adalah yang membezakan CSP daripada sistem suria PV, yang berhenti menghasilkan elektrik apabila ia mula berawan atau pada waktu malam.

Teknologi yang terdapat di bahagian atas piramid pada masa ini (Gemasolar di Sepanyol, Crescent Dunes di Nevada dan Noor III) menampilkan garam cair cecair yang digunakan bukan sahaja untuk memindahkan haba, tetapi juga menyimpan tenaga. Ketiga-tiga sistem telah berjaya menunjukkan keupayaan untuk beroperasi secara berterusan selama 24 jam penuh sambil mengekalkan lebih daripada 15 jam simpanan tenaga dengan garam cair cecair sahaja.

Program Penjanaan Tenaga Suria Pekat 3 (CSP Gen3) Jabatan Tenaga AS akan memajukan teknologi ini melebihi sistem CSP peringkat komersial sedia ada. Salah satu pendekatan reka bentuk yang diterokai di bawah program CSP Gen3 ialah sistem "Liquid Pathway", yang menggunakan-kos cecair klorida yang agak rendah sebagai simpanan tenaga dan penerima natrium cecair pada kira-kira 740oC untuk memindahkan haba kepada kitaran kuasa superkritikal karbon dioksida (sCO2). Keseluruhan kitaran kuasa sCO2 akan beroperasi pada kecekapan yang lebih tinggi daripada kitaran jenis Rankine wap tradisional, juga.

Ini mewakili kemajuan yang ketara daripada loji semasa, yang biasanya beroperasi pada sekitar 565 darjah menggunakan garam nitrat. Suhu operasi yang lebih tinggi membolehkan kecekapan yang lebih tinggi dan merendahkan kos tenaga yang diratakan-sasaran Gen3 adalah di bawah $60 setiap megawatt-jam.

Sistem garam cair dua-tangki membenarkan pengendali mengedarkan garam melalui penerima suria untuk mengecas (memanaskan tangki "panas"), dan kemudian melalui penukar haba untuk menjana wap apabila pelepasan diperlukan. Kecekapan terma storan itu sendiri adalah tinggi-menyimpan haba dalam tangki berpenebat melebihi kecekapan 90% untuk kitaran harian.

Walau bagaimanapun, kecekapan-perjalanan pergi dan balik untuk storan elektrik menghadapi had asas. Menukar semula haba kepada elektrik melalui turbin wap biasanya hanya mencapai 35-42% kecekapan haba. Malah turbin CO2 superkritikal maju berjuang untuk melebihi 50% . Sebagai perbandingan, bateri ion litium-secara rutin melebihi 85% kecekapan pergi balik.

Penalti kecekapan ini bermakna CSP paling sesuai untuk aplikasi yang nilai storan haba-tempoh panjang, kos rendah setiap kilowatt-jam storan dan keupayaan untuk menyediakan penjanaan segerak-melebihi kerugian penukaran. Untuk storan skala-grid yang bertahan 6-12 jam, ekonomi masih boleh berfungsi.

Pembangunan sumber tenaga boleh diperbaharui untuk menjana tenaga elektrik, sumbangan CSP kepada penyahkarbonan proses perindustrian, dan penciptaan storan haba telah membolehkan CSP menyediakan perkhidmatan selain tenaga elektrik. Banyak proses perindustrian memerlukan bekalan stim atau haba langsung yang berterusan, atas-permintaan dalam julat suhu 300 hingga 550 darjah Celsius, yang merangkumi proses seperti pembuatan kertas, penapisan minyak dan pemprosesan kimia.

Dengan menggunakan-sistem penyimpanan tenaga terma garam lebur yang sangat besar, CSP boleh mencapai matlamat ini dengan menyediakan wap proses dan/atau udara panas lampau untuk aplikasi industri seperti yang diperlukan dalam masa-sebenar. Kapasiti besar sistem storan tenaga terma garam-lebur ini juga menawarkan-alternatif yang sangat kos efektif kepada bateri elektrokimia, yang mempunyai kos kurang daripada $35 setiap kilowatt-jam (kWh) storan tenaga haba yang boleh digunakan.

Terdapat kaedah pelengkap untuk memanfaatkan tenaga matahari, termasuk pengeluaran hidrogen suria dan kuasa suria pekat (CSP). Tenaga matahari ditukar kepada bahan api kimia (hidrogen) melalui elektrolisis fotovoltaik (PV) dan sistem fotokatalitik yang boleh disimpan selama-lamanya. Hidrogen boleh digunakan untuk pengangkutan, industri, dan penjanaan elektrik. Sebagai alternatif, CSP menggunakan cahaya matahari untuk menjana haba. CSP kemudian menukar tenaga haba itu kepada elektrik untuk penghantaran yang boleh dihantar (tertib).

Kemajuan pesat dalam kedua-dua teknologi sedang berlaku. Peningkatan solar-ke-kecekapan penukaran hidrogen hasil daripada bahan yang dipertingkatkan dan penyepaduan sistem; CSP terus mendesak untuk mendapatkan suhu operasi yang lebih tinggi dan kos yang lebih rendah. Apabila digabungkan, elektrolisis PV dan CSP membenarkan dunia-berkuasa suria di mana matahari bukan sahaja memberikan tenaga apabila diperlukan tetapi juga menghasilkan-bentuk bahan api yang disimpan dengan mudah untuk membekalkan tenaga dalam-tempoh puncak sepanjang hari.

Bumi menerima bekalan tenaga yang besar daripada matahari. Ini kira-kira bersamaan dengan 173 trilion watt (1 trilion=1,000,000,000,000) memukul bumi setiap saat. Cabaran dan peluang untuk jurutera termasuk mencari cara untuk menggunakan berbilang mod untuk menangkap bekalan tenaga yang luas ini daripada matahari.