دو مسیر خورشید برای رسیدن به قدرت: درک تولید هیدروژن خورشیدی و انرژی متمرکز خورشیدی

در حالی که اکثر افراد در مورد برق خورشیدی فکر می کنند که از طریق پانل های فتوولتائیک از نور خورشید برای انرژی استفاده می کنند. راه های بسیار بیشتری وجود دارد که از طریق آن می توانید ارزش خود را از طریق خورشید بدست آورید تا فقط پانل های فتوولتائیک. به عنوان مثال، شما می توانید از خورشید برای تولید سوخت هیدروژنی تمیز و تولید انرژی مفید-از طریق گرما استفاده کنید. چند فن‌آوری جدید هیجان‌انگیز وجود دارد که انرژی خورشیدی را تحت فشار قرار می‌دهند: هیدروژن از منابع انرژی خورشیدی و نیروی خورشیدی متمرکز (CSP).

هیدروژن به دلایل مختلفی به عنوان «سوخت فردا» شناخته می شود. هیدروژن تقریباً 142 MJ/kg انرژی دارد و اگر از هیدروژن در پیل سوختی استفاده کنید، تنها انتشار گازهای گلخانه‌ای توسط آب است. با این حال، تولید مقادیر زیادی از سوخت هیدروژن به صورت پاک، هنوز یک چالش بزرگ برای تولید هیدروژن است. یکی از راه های حل این مشکل استفاده از نور خورشید برای تقسیم آب به عنوان وسیله ای برای تولید هیدروژن است، این فرآیند انتشار گازهای گلخانه ای صفر دارد.

سه نوع اصلی تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی وجود دارد که در حال حاضر در سطوح بلوغ مختلف قرار دارند:

اولین فناوری (بالغ ترین) از پانل های فتوولتائیک (PV) همراه با الکترولیزها استفاده می کند. الکترولایزرها وسایل الکتریکی هستند که با استفاده از انتقال حرارت و حرارت، الکتریسیته گرفته و آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می کنند. سیستم های PV توسعه یافته ترین و به راحتی در دسترس هستند. سیستم های PV بسیار مدولار و قابل اعتماد هستند. هنگامی که PV و الکترولایزر بدون هیچ وسیله تبدیل توان متصل می شوند، بازده تبدیل STH کل سیستم به حد تئوری نزدیک شده است.

تحقیقات نشان می دهد که سیستم های PV متمرکز به طور قابل توجهی بهتر از سیستم های معمولی عمل می کنند. دانشمندان با استفاده از سلول‌های InGaP/GaAs/Ge تحت غلظت ۷۵۰ خورشید، بازدهی STH را بین ۱۸ تا ۲۱ درصد با نرخ تولید ۰.۸ تا ۱.۰ لیتر هیدروژن در دقیقه به ازای هر متر مربع از سطح ماژول به دست آوردند. در مقایسه، ماژول‌های سیلیکونی معمولی در زیر یک خورشید تنها حدود 9.4% راندمان STH را با نرخ تولید حدود 0.3 L/min·m² به دست آوردند. این نشان دهنده مزیت عملکرد 1.5 تا 3 برابر برای سیستم های متمرکز است.

الکترولیز آب دامنه استفاده موثری بین 70 تا 80 درصد دارد که این گزینه را هنگام در نظر گرفتن قیمت‌های برق تجدیدپذیر در آینده جذاب‌تر می‌کند. تنها چالش اصلی در حال حاضر قیمت بالای الکترولیزها و غیرقابل پیش بینی بودن تابش خورشیدی است که در نتیجه نیاز به ادغام دقیق در سیستم است.

سیستم های فوتوالکتروشیمیایی (PEC) از رویکرد یکپارچه تری نسبت به روش های قبلی برای الکترولیز آب با تولید انرژی الکتریکی و سپس استفاده از آن انرژی برای تولید هیدروژن از آب استفاده می کنند. PEC ها از مواد نیمه هادی غوطه ور در آب استفاده می کنند که قادر به جذب نور خورشید و تبدیل مستقیم آن به ذخیره انرژی شیمیایی به شکل هیدروژن از طریق الکترولیز آب هستند. این زمانی اتفاق می افتد که نور به نیمه هادی برخورد می کند و جفت الکترون/حفره ایجاد می کند. الکترون‌های موجود در مکانیسم نیمه‌رسانا، پروتون‌ها را برای تشکیل هیدروژن کاهش می‌دهند. سوراخ های ایجاد شده مولکول های آب تولید کننده اکسیژن را اکسید می کنند.

PEC ها برای اولین بار حدود 50 سال پیش توسط شینیچیرو فوجیشیما و هوندا مورد تحقیق قرار گرفتند، زمانی که آنها دریافتند که یک الکترود دی اکسید تیتانیوم (TiO2) می تواند H2O را به H2 و O2 تقسیم کند که با یک کاتد/آلیاژ پلاتین جفت شود و با نور UV روشن شود. (این همان چیزی است که به عنوان "اثر هوندا- فوجیشیما" شناخته می شود)

در حال حاضر، سیستم‌های PEC دارای طراحی جذاب و جمع و جور با قابلیت تبدیل مستقیم خورشیدی-به-از طریق یک مکانیسم ساده و زیبا هستند. با وجود این ویژگی‌های طراحی مثبت، فناوری PEC هنوز در مراحل ابتدایی نسبی خود است و قبل از تجاری‌سازی باید بر برخی چالش‌های مهم غلبه کند، مانند راندمان پایین در تبدیل{3}}به{4} خورشیدی آن به هیدروژن، تخریب مواد مورد استفاده برای ایجاد سلول‌های PEC، و مقیاس‌پذیری عملکرد. بنابراین، تحقیقات در حال انجام در مورد مواد پیشرفته و فوتوالکترودهای نانوساختار طراحی شده برای رسیدگی به این مسائل است.

یکی از خلاقانه‌ترین راه‌های انجام این کار، استفاده از مواد نیمه‌رسانا در مقیاس نانو (که نقاط کوانتومی نیز نامیده می‌شوند) است که در یک محیط آبی به عنوان فوتوکاتالیست پراکنده شده‌اند. به محض روشن شدن با نور خورشید، الکترون‌ها (و حفره‌هایی) تولید می‌کنند که می‌توانند به سطح مشترک ذره مهاجرت کنند و واکنش‌های نیمه اکسیداسیون و کاهش مربوطه را آغاز کنند که به ترتیب تکامل هیدروژن و تکامل اکسیژن نامیده می‌شوند.

سیستم فوتوکاتالیست تک ذره، یا سیستم تحریک یک مرحله‌ای، نیازمند این است که شکاف باند نیمه‌رسانا هم پتانسیل تکامل هیدروژن و هم پتانسیل تکامل اکسیژن را در بر بگیرد. همچنین یک -سیستم فوتوکاتالیست دو قسمتی یا پیکربندی فتوکاتالیست «طرح Z{3}} وجود دارد که در آن دو فوتوکاتالیست مختلف توسط یک واسطه شیمیایی (یعنی زوج ردوکس) به یکدیگر متصل می‌شوند تا تقسیم آب در دو مرحله مجزا یا نیمه واکنش رخ دهد. این به طور قابل توجهی انرژی مورد نیاز برای هر واکنش را کاهش می دهد، در حالی که امکان استفاده از طیف وسیع تری از نور مرئی را فراهم می کند.

پیشرفت های اخیر پتانسیل این رویکرد را نشان می دهد. یک تیم تحقیقاتی چینی به سرپرستی لیو گانگ در موسسه تحقیقات فلزات، دی اکسید تیتانیوم-ماده فوتوکاتالیستی کلیدی- را با افزودن اسکاندیم از طریق "تغییر شکل ساختاری" و "جایگزینی عنصر" تقویت کردند. یون‌های اسکاندیم به نرمی در شبکه مواد قرار می‌گیرند و «مناطق تله‌ای» را که معمولاً الکترون‌ها را می‌گیرند، از بین می‌برند و سطح کریستال را تغییر می‌دهند تا «بزرگراه‌های الکترونیکی» را تشکیل دهند که حامل‌های بار را به طور موثر هدایت می‌کنند.

این ماده پیشرفته از بیش از 30 درصد نور ماوراء بنفش استفاده می کند و به نرخ تولید هیدروژن در زیر نور خورشید شبیه سازی شده 15 برابر بیشتر از نسخه های قبلی دست می یابد. طبق گفته تیم تحقیقاتی، یک صفحه فوتوکاتالیستی یک-مربع-متر مربع می‌تواند حدود 10 لیتر هیدروژن در روز در زیر نور خورشید تولید کند.

در حالی که فوتوکاتالیز ذرات در آزمایشگاه باقی می ماند، پتانسیل آن برای استقرار در مقیاس بزرگ-قانع کننده است. استفاده از فوتوکاتالیست‌های{2}}شکل پودری ساده‌تر است و در مقایسه با سیستم‌های PV-الکترولیز یا PEC با استفاده از فرآیندهای بالقوه ارزان‌تر در مناطق بزرگ پخش می‌شوند.

انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) رویکردی اساساً متفاوت برای مهار خورشید دارد. به جای تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته، CSP از آینه ها برای تمرکز نور خورشید، تولید گرمای{1}در دمای بالا، و سپس هدایت توربین های معمولی برای تولید برق استفاده می کند.

مفهوم اساسی بسیار ساده است. هلیواستات ها یا آرایش آینه ها، مسیر روزانه خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای خورشید را به جمع کننده ای که در بالای یک برج قرار دارد منعکس می کنند. این غلظت نور خورشید برای گرم کردن یک سیال در حال کار تا دماهای بسیار بالا استفاده می شود و هنگامی که گرما تولید می شود، سیال عامل گرم شده در تولید بخار استفاده می شود که باعث چرخش توربین ژنراتور می شود.

توانایی گنجاندن ذخیره انرژی حرارتی در یک سیستم CSP چیزی است که CSP را دارای چنین ارزشی می کند. گرمای تولید شده توسط فرآیند تمرکز پرتوهای خورشید را می توان برای ساعت ها جذب و ذخیره کرد، به این معنی که تولید برق از سیستم CSP می تواند مدت ها پس از غروب خورشید رخ دهد. جنبه ارسالی CSP{2}}یعنی زمانی که شما نیاز به برق دارید می‌توانید آن را تولید کنید-چیزی است که CSP را از سیستم‌های خورشیدی PV متمایز می‌کند، سیستم‌هایی که با شروع ابری شدن یا در شب تولید برق متوقف می‌شوند.

فناوری موجود در بالای هرم در حال حاضر (Gemasolar در اسپانیا، Crescent Dunes در نوادا و نور III) دارای نمک مذاب مایع است که نه تنها برای انتقال گرما، بلکه برای ذخیره انرژی نیز استفاده می شود. هر سه سیستم با موفقیت نشان داده اند که به طور مداوم به مدت 24 ساعت کامل عمل می کنند و در عین حال بیش از 15 ساعت ذخیره انرژی را تنها با نمک های مذاب مایع حفظ می کنند.

برنامه تولید انرژی خورشیدی متمرکز 3 (CSP Gen3) وزارت انرژی ایالات متحده، این فناوری را فراتر از سیستم‌های CSP سطح تجاری موجود پیش خواهد برد. یکی از رویکردهای طراحی که تحت برنامه CSP Gen3 مورد بررسی قرار می گیرد، سیستم "مسیر مایع" است که از کلریدهای مایع با هزینه نسبتاً پایین به عنوان ذخیره انرژی و گیرنده سدیم مایع در دمای تقریبی 740 درجه سانتی گراد برای انتقال گرما به چرخه قدرت دی اکسید کربن فوق بحرانی (sCO2) استفاده می کند. کل چرخه قدرت sCO2 با راندمان بالاتری نسبت به چرخه های بخار سنتی نوع Rankine نیز کار می کند.

این نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی از کارخانه های فعلی است که معمولاً در حدود 565 درجه با استفاده از نمک های نیترات کار می کنند. دماهای عملیاتی بالاتر راندمان بیشتری را ممکن می‌سازد و هزینه انرژی را کاهش می‌دهد-هدف Gen3 زیر 60 دلار در هر مگاوات ساعت-ساعت است.

یک سیستم نمک مذاب دو مخزن -به اپراتورها اجازه می‌دهد تا نمک را از طریق گیرنده‌های خورشیدی برای شارژ کردن (گرم کردن مخزن "گرم") و سپس از طریق مبدل‌های حرارتی برای تولید بخار در مواقعی که تخلیه مورد نیاز است، گردش دهند. راندمان حرارتی ذخیره سازی بالا-ذخیره گرما در مخازن عایق بندی شده بیش از 90% راندمان برای چرخه های روزانه است.

با این حال، راندمان رفت و برگشت-برای ذخیره سازی برق با یک محدودیت اساسی مواجه است. تبدیل گرما به برق از طریق توربین های بخار معمولاً تنها 35-42% راندمان حرارتی را به دست می آورد. حتی توربین های CO2 فوق بحرانی پیشرفته نیز برای فراتر از 50 درصد تلاش می کنند. برای مقایسه، باتری‌های لیتیوم{9} یونی معمولاً از 85 درصد راندمان رفت و برگشت فراتر می‌رود.

این جریمه کارآیی به این معنی است که CSP برای برنامه‌هایی مناسب است که ارزش ذخیره‌سازی حرارتی-مدت طولانی، هزینه کم به ازای هر کیلووات-ساعت ذخیره‌سازی، و توانایی ارائه تولید همزمان{2}}از تلفات تبدیل بیشتر باشد. برای ذخیره‌سازی مقیاس شبکه‌ای-که 6 تا 12 ساعت طول می‌کشد، اقتصاد همچنان می‌تواند کار کند.

توسعه منابع تجدیدپذیر انرژی برای تولید برق، مشارکت CSP در کربن زدایی فرآیندهای صنعتی، و ایجاد ذخیره سازی حرارتی، همگی به CSP ها اجازه داده اند تا خدماتی فراتر از برق ارائه دهند. بسیاری از فرآیندهای صنعتی نیاز به منابع مستمر بخار{1} یا حرارت مستقیم در محدوده دمایی 300 تا 550 درجه سانتیگراد دارند که شامل فرآیندهایی مانند تولید کاغذ، پالایش نفت و فرآوری شیمیایی می‌شود.

با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نمک مذاب در مقیاس بسیار بزرگ، CSPها می‌توانند با ارائه بخار فرآیند و/یا هوای فوق‌گرم برای کاربردهای صنعتی در زمان واقعی-به این هدف دست یابند. ظرفیت‌های بزرگ این سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی مذاب-نمک نیز یک جایگزین بسیار گران قیمت-برای باتری‌های الکتروشیمیایی با هزینه کمتر از ۳۵ دلار به ازای هر کیلووات-ساعت (کیلووات ساعت) ذخیره انرژی حرارتی قابل استفاده است.

روش های تکمیلی برای مهار انرژی خورشید وجود دارد، از جمله تولید هیدروژن خورشیدی و انرژی متمرکز خورشیدی (CSP). انرژی خورشید از طریق الکترولیز فتوولتائیک (PV) و سیستم های فوتوکاتالیستی به سوخت شیمیایی (هیدروژن) تبدیل می شود که می تواند به طور نامحدود ذخیره شود. از هیدروژن می توان برای حمل و نقل، صنعت و تولید برق استفاده کرد. روش دیگر، CSP از نور خورشید برای تولید گرما استفاده می کند. سپس CSP آن انرژی حرارتی را برای تحویل قابل ارسال (منظم) به برق تبدیل می کند.

پیشرفت های سریع در هر دو فناوری در حال رخ دادن است. افزایش راندمان تبدیل خورشیدی-به-هیدروژن ناشی از بهبود مواد و یکپارچگی سیستم. CSP به فشار برای دماهای عملیاتی بالاتر و هزینه های کمتر ادامه می دهد. هنگامی که الکترولیز PV و CSP با هم ترکیب می شوند، امکان ایجاد دنیایی با انرژی خورشیدی را فراهم می کنند که در آن نه تنها خورشید در صورت نیاز انرژی را تامین می کند، بلکه نوعی سوخت ذخیره شده آسان- برای تامین انرژی در دوره های خاموش-در طول روز تولید می کند.

زمین منبع عظیمی از انرژی را از خورشید دریافت می کند. این تقریباً معادل 173 تریلیون وات (1 تریلیون=1,000,000,000,000) است که در هر ثانیه با زمین برخورد می کند. چالش‌ها و فرصت‌های مهندسین شامل یافتن راه‌هایی برای استفاده از حالت‌های مختلف برای گرفتن این منبع عظیم انرژی از خورشید است.