گرمای متمرکز خورشیدی و قدرت سرامیک

عجله ای برای گرفتن خورشید با آینه وجود دارد. مزارع، بیابان ها و مناطقی به اندازه کلان شهرها پوشیده از هلیواستات های بزرگ و براق و نور خورشید متمرکز بر فرودها، لوله ها و برج هایی هستند که برای خروج ما از عصر سوخت های فسیلی و به سوی آینده ای سبزتر و پایدارتر طراحی شده اند.

برنامه های استرالیا برای انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) تاکنون موفقیت های متفاوتی داشته است. دو نیروگاه نمایشی اکنون در حال تبدیل گرما به برق برای شبکه هستند.

RayGen سفارش داده شده نیروگاه خورشیدی در میلدورا در ماه جولای، 4 مگاوات انرژی خورشیدی و 50 مگاوات ساعت ذخیره سازی را تحویل می دهد.

گستردهکه کوچک دارد کارخانه نمایش در فوربس، غرب نیو ساوت ولز، امیدوار است که در سال 2024 اولین تاکسی خارج از رتبه تجاری در مقیاس تجاری CSP باشد. هنگامی که اولین خاکشیر تبدیل شده است در پورت آگوستا، استرالیای جنوبی، این نیروگاه در مقیاس تجاری به ترتیب 30 مگاوات و 288 مگاوات ساعت برق و ذخیره سازی را تامین می کند.

اکنون CSIRO در استفاده از گرمای متمرکز خورشیدی (CST) برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی برای تولید گرما در دمای بالا پیشرفت کرده است. یک نوآوری متمرکز بر انتقال مستقیم گرما به فرآیند تولید – استخراج آهن از سنگ معدن یا ساخت سیمان یا آلومینیوم، برای مثال – و همچنین می تواند برای تولید برق با تولید بخار برای به حرکت درآوردن یک توربین استفاده شود.

نقش گرما در صنعت اغلب دست کم گرفته می شود. آژانس انرژی های تجدیدپذیر استرالیا (ARENA) می گوید از 1500 سایت صنعتی که از حرارت فرآیند استفاده می کنند، اکثر آنها در تعداد کمی از سایت های بزرگ مانند پالایشگاه های آلومینا و تاسیسات آهن و فولاد تولید می شوند.

استفاده از CST برای گرمای فرآیند ایده جدیدی نیستاما دمای بدست آمده توسط CSIRO نقطه عطف مهمی است.

دکتر گرگوری ویلسون، رئیس بخش تجاری سازی تحقیقاتی، فناوری های خورشیدی، CSIRO می گوید: «هدف ما این است که فرآیندهای صنعتی بزرگ را با جایگزین کردن گاز طبیعی مورد استفاده برای گرمایش کربن زدایی کنیم.

چگونه کار می کند؟

اکثر موارد استفاده از CST برج های برقو تاکنون انرژی خورشیدی با استفاده از نمک های مذاب گرفته شده است (معمولاً 60٪ نیترات سدیم و 40٪ نیترات پتاسیم). این نمک ها در ابتدا در حدود 220 ذوب می شوند^Frج با استفاده از گاز این سیال که از طریق لوله‌ها به گیرنده برج برق پمپ می‌شود، گرمای منعکس‌شده را از حلقه‌های متحدالمرکز یا نیم‌دایره‌های آینه به نام هلیواستات جذب می‌کند. زیرا هر آینه کمی مقعر است، انرژی منعکس شده با برخورد به گیرنده افزایش می یابد. دکتر جین سو کیم، رئیس فناوری خورشیدی CSIRO گفت: دمای بالاتر به معنای بازده انتقال حرارت بالاتر است.

CSIRO در استفاده از گرمای متمرکز خورشیدی برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی برای تولید گرمای با دمای بالا به موفقیت دست یافته است.

بنابراین شما این نقطه روشن انرژی را دارید که از طریق گیرنده وارد می شود، سوراخی در بالای برج، لوله های گرمایشی که نمک مذاب را حمل می کنند. این گرما به مخازن داغ منتقل می شود و برای به حرکت درآوردن توربین ها برای برق و گرما برای فرآیند استفاده می شود.

و اینجاست که CSIRO وارد عمل می شود.

بدون لوله از کنار این دهانه ورودی، از طریق یک دریچه کشویی از پناهگاه فوقانی، پرده ای متراکم و مات از ذرات کروی سیاه رنگ ریز به چشم می خورد.

ویلسون می گوید که آنها این تکرار را به طور خاص CST می نامند تا قابلیت گرمای با دمای بالا را به عنوان یک نقطه تفاوت لحاظ کند. تیم CSIRO به 803 دست یافته است^FrC در برج، با قابلیت رسیدن به 1000^Frج، ایجاد پتانسیل برای تامین مستقیم صنایع سنگین در استرالیا و شاید در جهان.

این ذرات کوچک (0.35 میلی متر) اما قدرتمند، با وزن کافی برای جاری شدن به عنوان مایع در حجم های زیاد، از بوکسیت (سنگ معدن آلومینیوم) ساخته شده اند و در حال حاضر برای شکستگی هیدرولیک (“فرکینگ”) استفاده می شوند. آنها قادر به تحمل گرما و فشار بسیار زیاد هستند، این شکاف ها را در عمق زمین باز نگه می دارند تا گاز برای جمع آوری جریان یابد. ساخته شده توسط “سینترینگ سرامیکی”، اعمال گرما و فشار برای ایجاد یک ماده جامد بدون ذوب – کمی شبیه ساختن یک گلوله برفی – آنها همچنین ارزان هستند و به دلیل رنگ تیره، گرما را جذب می کنند و برای CST ایده آل هستند.

یکی از مزایای این فناوری این است که شما به سادگی ذرات داغ را در یک مخزن یا سیلو ذخیره می کنید. ذخیره سازی بسیار ارزان است، که یک مزیت مهم این فناوری نسبت به باتری ها است.

وس استاین، رئیس تحقیقات خورشیدی CSIRO.

اگرچه این آبشار مستقیماً در معرض نور قرار دارد، اما به خوبی از عناصر (و اتلاف گرما) محافظت می شود زیرا جاذبه آن را از وسط برج پایین می کشد. شکل اصلی یک پرده مات (ضخامت 10-20 میلی متر) حفظ می شود و انتقال حرارت در گیرنده با کنترل آبشار گرانول ها در پایین دیوار از طریق یک سری ناودان های عمودی با فاصله 0.5 متر از یکدیگر بهینه می شود – سقوط و مخلوط کردن ذرات را به تاخیر می اندازد. برای اطمینان از توزیع یکنواخت گرما

جریان ذرات با توجه به دمای هدف تنظیم می شود – روزهای آفتابی تر به معنای گرمای بیشتر و جریان بیشتر است. آفتاب کمتر، جریان کمتر – بهینه سازی گرمای جمع آوری شده بسته به شرایط.

آبشار به مخزن داغ در پایین برج ختم می شود و ذرات به مخازن عایق – مانند سیلوهای غلات بزرگ – آماده برای استفاده منتقل می شوند.

کیت لاوگرو، مدیر انجمن حرارتی خورشیدی استرالیا، می‌گوید دمای گرم‌تر می‌تواند به معنای چرخه‌های انرژی کارآمدتر در توربین‌های بخار باشد که بیشتر برق جهان را تامین می‌کنند. این شامل CO فوق بحرانی₂ توربین هاکه در حدود 700 کار می کنند^FrC و در حال حاضر در دست توسعه هستند. او می افزاید: “ذخیره حرارتی شما باید گرمتر از دمای مورد نظر شما باشد.”

وس استاین، رئیس تحقیقات خورشیدی CSIRO، می‌گوید: نکته مهم این است که این ذخیره‌سازی ارزان شود. یکی از چیزهای مهم در مورد این فناوری این است که شما فقط ذرات داغ را در یک مخزن یا سیلو ذخیره می کنید. ذخیره سازی بسیار ارزان است، که یک مزیت مهم این فناوری نسبت به باتری است.

ذخیره سازی ارزان مزایای خود را دارد

CST نیز مواجه نیست مشکلات کوتاه کردن به طور معمول انرژی خورشیدی PV و باد را آزار می دهد زیرا می تواند برق تولید کند و تا 15 ساعت انرژی اضافی ذخیره کند. استین می‌گوید: «البته، اگر فضای ذخیره‌سازی به‌طور کامل شارژ شده باشد و هنوز به انرژی اضافی نیاز نداشته باشد، در این صورت محدود خواهید شد، اما بسیار کمتر از آنچه که با VRES (سیستم انرژی تجدیدپذیر متغیر) خواهید بود.

و اگر باد و خورشید کافی برای مدت طولانی‌تر از میزان ذخیره‌سازی وجود نداشته باشد، پس شما با مشکلی مواجه خواهید شد که “مشکل‌های یک سیستم کاملاً مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر را که 24/7 و 365 روز انرژی ارائه می‌کند، تاکید می‌کند.” اما او اضافه می کند که اگر به CST وصل شوید، تنها به 3 درصد گاز مورد استفاده در یک سیستم تمام گاز نیاز دارید. بنابراین داشتن گاز طبیعی پشتیبان به عنوان یک انتقال، و شاید هیدروژن در مسیر، بسیار منطقی است.

گرد و غبار و کربن جاسازی شده

اما گرفتن انرژی خورشیدی با آینه یک چالش است.

افزایش خشکسالی ها و آتش سوزی های جنگلی مرتبط با تغییرات اقلیمی به احتمال زیاد باعث افزایش گرد و غبار در هوا می شود و باعث طوفان های گرد و غبار می شود و هزینه تمیز نگه داشتن آینه ها را افزایش می دهد. استرالیا داخلی بزرگترین منبع خورشیدی و بالاترین غلظت گرد و غبار ما را فراهم می کند. بررسی ادبیات اخیر به این نتیجه رسید که گرد و غبار روی آینه های CSPبه ویژه در مناطق شنی بیابانی، می تواند منجر به تلفات حرارتی 20-50٪ در مقایسه با 15-30٪ برای فتوولتائیک (PV) شود.

CST همچنین ممکن است تمایلی به فلزات خاکی کمیاب نداشته باشد فتوولتائیک اغلب مورد انتقاد قرار می گیرند، اما در مواد فله نقش اصلی را ایفا می کند.

قرار دادن هزاران آینه به معنای مقدار زیادی بتن و فولاد و همچنین انتشار گازهای گلخانه ای است که با قرار دادن همه آن در آنجا همراه است. این کربن جاسازی شده که اغلب به حساب نمی آید، باید “پرداخت” شود تا توسعه ای که کربن خنثی در نظر گرفته شود.

در سال 2013، کربن جاسازی شده محاسبه شد برای پشتیبان خورشیدی 110 مگاوات، آینه 10000، نمک مذاب CSP ساخته شده در نوادا، ایالات متحده. تقریباً 86350 یارد مکعب (66019 متر مکعب) بتن مورد استفاده قرار گرفت که معادل 43.1 میلیون پوند (19550 تن) است. از CO₂. انتشار گازهای گلخانه ای از فولاد و حمل و نقل محاسبه نمی شود. این را با توجه به اندازه مورد نظر توسعه مقیاس کنید (به زیر مراجعه کنید) و عناصر از دست رفته را اضافه کنید – این مقدار زیادی کربن است که باید قبل از اینکه چنین توسعه ای کربن خنثی در نظر گرفته شود، “پرداخت” شود.

از اینجا به کجا؟

ویلسون می‌گوید CSIRO هنوز باید این مفهوم را در مقیاس آزمایشی اثبات کند، از نصب 1 مگاواتی موجود در پردیس نیوکاسل تا پایلوت 50 برابر بزرگ‌تر، و به تدریج به یک تاسیسات کاملاً تجاری افزایش می‌یابد – 50000 آینه با تولید 500 مگاوات.

در حال حاضر مذاکراتی بین CSIRO و شرکت های مختلف استرالیایی برای ساخت یک نیروگاه آزمایشی پیش تجاری چند مگاواتی در جریان است.