כיצד אחסון אנרגיה תרמית משפר את היעילות של צמחי כוח סולאריים מוגדלים

התפקיד הקריטי של אחסון האנרגיה הירומית במפעלי הכוח הסולאריים המודרניים

מפעלים סולאריים ריכוזיים (CSP) מייצגים את אחד הצורות ההיקף ביותר והמשלוח של ייצור אנרגיה מתחדשת.בניגוד מערכות פוטו-וולטאיות שממירות את השמש ישירות לחשמל, צמחי CSP משתמשים במראות או עדשות כדי להתרכז באור השמש על מקלט, ומייצרים חום עתיר גבוה המקדם את מערכות אחסון רגילות, כלומר, נתיב תרמי זה פותח את הדלת לתועלת רבת עוצמה: היכולת לאחסן ישירות ודרישה חשמלית (S) על ידי כוח חיים מעגלית, כמו גם על ידי כוח אווירי חשמל יציב, כמו גם על ידי כוח אווירי חשמל CES).

מהו אחסון האנרגיה הירושה ומדוע זה משנה?

אחסון אנרגיה תרמית לוכד אנרגיה תרמית עודף המיוצר במהלך תקופות של אי-הוריות גבוהה מחזיק אותו לשימוש מאוחר יותר. בהקשר CSP, חום מאוחסן זה יכול להימשך כדי לייצר קיטור לרוץ טורבינות במשך שעות לאחר השמש קבעה או במהלך כיסוי ענן לסירוגין.עיקרון הליבה הוא פשוט: להמיר אור השמש לתוך חום, חום זה בינוני עם קיבולת תרמית גבוהה ואובדן חום נמוך, אז השחרור הוא צורך ביותר חשמל.

המשמעות של TES משתרעת הרבה מעבר לנוחות פשוטות.ללא אחסון, צמח CSP פועל רק כאשר השמש זורחת - באופן חד-משמעי 2,000 עד 2,500 שעות מטען שווה ערך בשנה.עם TES נאותה, זה יכול יותר כפול, להגיע ל-5,000-6,000 שעות. זה שיפור ניצול באופן קיצוני מקטין את העלות המדרגת של חשמל (LCOE) והופך את CSP לידידותי בעל ערך עם מאובנים, אשר יכול להגיע לתחנות, כמו CSP, כך גם לתדירות גבוהה יותר, כך, כך שהופך את הפחתת עלויות התפעולית של שירותי CSP.

פרויקטים מובילים של CSP ברחבי העולם, כגון FLT:0 (Nor Ouarzazate Complex במרוקוFLT:1 ו-FLT:2Crescent Dunes plant בנבאדהFLT 3), להוכיח את הפוטנציאל בעולם האמיתי של מתקני TES. אלה משלבים אחסון מלח מלוטש המאפשר להם לייצר כוח טוב לתוך הלילה, לעתים קרובות לפעול באופן קבוע במהלך שיא חודשי הקיץ.

כיצד TES משפר את יעילות CSP: יתרון רב-ממדי

היתרונות של שילוב TES עם CSP אינם מוגבלים רק כדי להפעיל את טורבינת זמן רב יותר.הם קשקה על פני שטח תרמי, חשמלי וכלכלי. להלן הם המנגנונים העיקריים שבאמצעותם TES מגביר את ביצועי הצמח הכללי.

דור הכוח וגורם היכולת

היתרון הברורה ביותר הוא היכולת לייצר חשמל מעבר לשעות היום. צמח CSP עם 8-12 שעות של מלח מלוטן TES יכול להשיג גורם קיבולת של 50–70%, בהשוואה ל-20-25% ללא אחסון. הדור המורחבת הזה הוא אותו שדה סולארי וחסימת כוח לייצר הרבה יותר מגה-וואט שעות בשנה, הפצת עלויות הון קבועות על פני תפוקה אנרגיה גדולה יותר והורדת LCOE.

יציבות ומיומנות

רשתות חשמל דורשות איזון קבוע בין היצע וביקוש. משאבי השמש והרוח הם משתנים, אבל CSP עם TES ניתן לשלוח על הפיקוד מפעילי צמחים יכול לאחסן חום במהלך היום, להחזיק אותו, ולשחרר אותו במהלך השיא בערב כאשר מחירי החשמל הם הגבוהים ביותר.

שיפור יעילות הריאה והפחתה של אובדן הפרסיטי

במפעל CSP ללא אחסון, בלוק הכוח חייב להיות בגודל בדיוק לתפוקה התרמית של השדה הסולארי.זה אומר לעתים קרובות טורבינות פועל עומס חלקי בשעות הבוקר המוקדמות או אחר הצהריים המאוחרות, צמצום היעילות. TES פועל כמו bu תרמי, המאפשר שדה השמש להיות גבוה מדי לטורבינה.הטורבינה יכול לפעול בשלב העיצוב שלה במשך יותר שעות ביום, תוך כדי קידוד מחזור תרמודינמי, בנוסף לתחזוקה נמוכה יותר.

הפחתה באמצעות אינטגרציה טובה יותר

TES גם מפחית את העלות של ציוד מטה הזרם. כי בלוק הכוח יכול להיות קטן יחסית לשדה השמש, הוצאות הון על טורבינות, גנרטורים ומערכות קירור יורד.מדיום האחסון עצמו - מלח מלוטש באופן חד משמעי - הוא זול יחסית (במחיר של 25–50 דולר ל- קילוואט), מה שהופך אותו לחסכוני לאחסון כמויות גדולות של אנרגיה.

גמישות מוגברת בעיצוב צמחי

עם TES, צמחי CSP יכולים להיות מוגדרים כדי לענות על דרישות רשת מגוונות.לדוגמה, צמח עשוי להיות מתוכנן לספק כוח עומס בסיס (עם > 12 שעות אחסון) או לשמש כצמח שיא עם 4-6 שעות של אחסון.מודולריות זו מאפשרת למפתחים להתאים פרויקטים משאבי שמש מקומיים, מבני שוק החשמל, וצרכים שימושיים.

סוגי טכנולוגיות אחסון אנרגיה תרמית

לא כל מערכות TES נוצרות שוות.הבחירה של טכנולוגיית אחסון תלויה בטווח הטמפרטורה, משך האחסון, העלות וההתאמה עם מחזור הכוח.שלוש הקטגוריות העיקריות המשמשות ב- CSP הן אחסון חום הגיוני, אחסון חום מאוחר, אחסון תרמוכימי.

אחסון חום רגיש

אחסון חום רגיש מסתמך על העלאת הטמפרטורה של מדיום ללא שינוי שלב.חומר הנפוץ ביותר הוא תערובת של 60% נתרן ניטריט ו-40% אשלגן, הידוע בשם "מלח פתור" מלחים אלה הם נוזל מעל 220 מעלות צלזיוס ויציב עד 565 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותם אידיאליים עבור זוג עם מחזורי קיטור מעודפים טיפוסיים, חם ממלח מפלט עד 565 מעלות צלזיוס, לאחר מכן, הוא צורך חם כדי חימום כדי מים חם.

אחסון חד-מדינתי באמצעות קרמיקה, בטון או סלעים נחקר גם עבור יישומים בעלי טמפרטורה נמוכה יותר, בעוד פחות יקר ממלח מלוט, מדיה מוצקה סובלים משיעורי העברת חום נמוכים יותר ותנודות טמפרטורה גבוהות יותר, אשר יכול להפחית את יעילות המחזור.

אחסון חום לא עקבי

אחסון חום עקבי מנצל את enthalpy של שינוי שלב - התכה קטיבית או העצמה - לאחסון כמויות גדולות של אנרגיה בטמפרטורה כמעט קבועה.שלב שינויים חומרים (PCMs) כגון מלחים מלוטנים, מתכות, או תערובת אקוטית יכול לאחסן 5-10 פעמים יותר חומרים אנרגיה לקילוגרם מאשר אחסון הגיוני על טווח טמפרטורה צר.זה הוא בעל ערך במיוחד עבור ייצוב של טמפרטורות, אשר מכילות חום, עם בעיות טיפוליות, עם זאת, עם בעיות טיפוליות מורכבות יותר.

אחסון התרמוכימיקלי

אחסון התרמוכימי כולל תגובות כימיות ניתוק חום במהלך התגובה קדימה אנדרמימית לשחרר אותו במהלך התגובה הפוכה.דוגמאות כוללות מחזורי מתכת חמצני (למשל, תחמוצת קובלט, תחמוצת מנגן מנגונית) וhydration / הידבקות של מלחים.מערכות אלה מציעות את רמות האנרגיה הגבוהות ביותר - באופן פוטנציאלי 100–200 לכל מ"ק"כ - וכמעט אפסי, אך ורק עם עלויות טכניות גבוהות יותר, אך ורק עם טמפרטורה גבוהה יותר, עם טמפרטורה גבוהה יותר, עם עלויות.

שילוב של TES עם CSP Plant Architectures

יעילותו של TES אינה נקבעת רק על ידי מדיום האחסון; היא גם תלויה כיצד מערכת האחסון משולבת עם שדה השמש וחסימת הכוח. שתי טכנולוגיות מסחריות CSP עיקריות שולטות: troughic ומגדל חשמל סולארי.

צמחים מפוזרים

מערכות פסים פארבוליים משתמשות מראות ארוכים, מעוקלים כדי להתמקד בשמש על צינור מקלט המכיל נוזל העברת חום (HTF), בדרך כלל שמן סינתטי.השמן מגיע 390 מעלות צלזיוס וזורם למערך של מחליפי חום כדי ליצור קיטור.כדי לשלב TES, לולאה מלח משנית של מלח מטבול (Rolten) עם נפח אחסון חם של 6 מעלות צלזיוס, אך לאחר מכן מופעלת חום, לאחר מכן, לאחר מכן, חום מים חמים של מלח על ידי מלח חום, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, 000 חום CF.

מגדל חשמל סולארי

מערכות מגדל משתמשים בשדה של heliostats המשקפים אור שמש למקלט מרכזי מעל מגדל. המקלט יכול לחמם מלח מלוטין ישירות ל 565 מעלות צלזיוס, תוך חיסול הצורך בתצורת אחסון ישירה HTF. זה תצורה אחסון ישיר יעיל יותר כי מלח עצמו משמש גם נוזל העברת חום ומדיום האחסון.

קואר פריסנל ודיש סטרלינג

קוויאר פריסנל משקפות הם טכנולוגיית CSP נישה המשתמשת מראות שטוחים או כמעט שטוח להתמקד אור השמש על מקלט ליניארי.הם פחות יעילים מאשר troughs אבל זול יותר לבנות. אינטגרציית TES אפשרית אך מוגבלת על ידי הטמפרטורה הנמוכה יחסית הפעלה (כ 270 מעלות צלזיוס) Dish Stirling מערכות להשתמש מנה parabolic כדי להתמקד על מנוע אור השמש Stirling בנקודה זו הם סטנדרטיים סטנדרטיים, ולא יחידות אחסון בינוניות (10C).

השפעות כלכליות וסביבתיות של TES ב-CSP

תוספת של TES משנה את הכלכלה של CSP. בעוד היא מגדילה את עלות ההון על ידי 30-60%, העלייה בייצור אנרגיה שנתי לעתים קרובות מניבה LCOE נמוך יותר של מחלקת האנרגיה של תוכנית השמש של האנרגיה להגדיר יעד של $05 /kWh עבור CSP עם אחסון עד 2030, ואנליסטים רבים מאמינים כי זה אפשרי עם TES מתקדמים ו בקנה מידה גדול יותר.

סביבה, CSP עם TES מציע יתרונות ייחודיים על פני מתחדשים אחרים. כי זה יכול לספק כוח מוצק, כוח משלוח, זה יכול להחליף צמחי דלק מאובנים כי אחרת לרוץ במהלך שיאים הערב. פליטת גזי החממה של CSP עם אחסון מלח מלוטש הם בערך 10-20 g CO2e / kWh, לעומת 400 +kWh עבור גז טבעי ו 800 + g / Wk עבור נפח מים, יתר עלות קירור מים, אבל יותר מדיקרר (מ"ל) אבל יותר מדיום, אבל יותר, לעומת זאת, עודף קירור מים רטובה, אבל יותר, אבל יותר מדיום, לעומת זאת, אבל יותר, לעומת זאת, 000 קירור מים רטובה, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, 000.

כיוונים עתידיים וחדשנות מתפתחת

המחקר דוחף TES מעבר לגבולות של טכנולוגיית מלח מלוטנת הנוכחית.אחסון עתיר גבוה באמצעות מתכות נוזליות (סויום, מוביל) או קרמיקה מתקדמת יכול לאפשר למפעלי CSP לפעול מעל 800°C, המאפשרים מחזורי Brayton עם טורבינות גז עבור יעילות מעל 50%.תוכנית Gen3 CSP בארה"ב מפתחת באופן פעיל אחסון מבוסס חלקיקים ושמשתמשים חלקיקים נופלים כמו טמפרטורות חום ונמוכות יותר.

דרך מבטיחה נוספת היא ההיברידיזציה של CSP עם טכנולוגיות אחסון אחרות.לדוגמה, שילוב TES עם סוללות ליתיום-יון יכול לספק הן כוח גבוה (טלטלטורי) ויכולות ארוכות טווח (TES) באופן דומה, כוח-על-מנת-אוויר-למנה-לכוח אשר משתמשים באחסון תרמי זול כדי לגבות מתקנים גדולים נחקרים עבור רשת מתחדשת.

מסקנה

אחסון אנרגיה תרמית אינו רק תוספת של צמחי כוח סולאריים מוגדלים; הוא טכנולוגיה טרנספורמטיבית כי פותחה את מלוא הפוטנציאל של אנרגיה תרמית השמש. על ידי מתן אפשרות דור חשמל מורחב, משלוח רשת, ושיפור יעילות תרמית, TES מעלה CSP ממקור זמני לאספקת חומרים גמישים יותר, אחסון בסיס יעיל יותר, כמו גם חומרים מתקדמים יותר, אחסון CSP.R.R.R.