Инженеры Sandia National Laboratories разработали новые фракталоподобные концентрирующие приемники солнечной энергии для малого и среднего использования, которые на 20 процентов эффективнее поглощают солнечный свет, чем современные технологии.
Приемники были спроектированы и изучены в рамках проекта лабораторных исследований и разработок, а также применяются в работе Sandia для Научно-исследовательского института солнечной энергии для Индии и США, или SERIIUS.
SERIIUS - это пятилетний проект под совместным руководством Индийского института науки и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, спонсируемый Министерством энергетики США и правительством Индии. технологии для обеих стран, устраняя барьеры и проблемы каждого рынка. Сандия руководил исследованиями группы в области концентрации солнечной энергии, уделяя особое внимание масштабируемым системам.
В то время как большинство концентрирующих солнечных электростанций во всем мире являются большими, инженер Sandia Клифф Хо говорит, что Индия заинтересована в разработке объектов мощностью 1 мегаватт или меньше, которые могли бы обеспечить необходимое количество энергии для небольшой деревни или сообщества. Повышение эффективности этих небольших приемников является ключевым шагом на пути к достижению этой цели.
Инженеры Sandia разработали и протестировали новые приемники в Национальном испытательном центре солнечной энергетики, изучая их способность выдерживать высокие температуры и давление, поглощая при этом солнечный свет в виде тепла, которое можно накапливать или передавать в энергетический цикл для выработки электроэнергии. На объекте Сандиа ряды зеркальных гелиостатов нацелены на высокое здание с центральным приемником, установленным наверху. Гелиостаты отражают и концентрируют солнечный свет на приемнике, который поглощает солнечное тепло и передает его газу, протекающему через обшивку приемника. Затем газ можно использовать в обычном цикле электростанции для производства электроэнергии или использовать в системе хранения, чтобы сохранить ее для производства электроэнергии по требованию, когда солнце не светит..
Улавливание и поглощение отраженного света
Обычные ресиверы обычно представляют собой плоскую панель из трубок или трубок, расположенных в виде цилиндра. Эти конструкции могут поглощать от 80 до 90 процентов направленного на них концентрированного солнечного света с учетом отражений и потерь тепла, но Хо сказал, что необходимы улучшения конструкции, чтобы сделать приемники еще более эффективными, чтобы помочь снизить стоимость концентрации солнечной энергии и улучшить масштабируемость.
«Когда свет отражается от плоской поверхности, он исчезает», - сказал Хо.«В плоской конструкции приемника 5 или более процентов концентрированного солнечного света отражается. Поэтому мы сконфигурировали панели трубок в виде радиальной или жалюзийной схемы, которая захватывает свет в разных масштабах. Мы хотели, чтобы свет отражался, а затем отражался снова. внутрь ресивера и поглощаются, как стены звуконепроницаемой комнаты."
Предыдущие исследования по повышению эффективности солнечных приемников были сосредоточены на специальных покрытиях, которые наносятся на приемник. Однако многие из этих покрытий со временем разрушаются, что снижает как способность приемника поглощать солнечный свет, так и потенциальный срок службы самого солнечного приемника, увеличивая при этом затраты на повторное нанесение и ремонт. Новые фрактальные конструкции приемников Sandia повышают эффективность поглощения солнечного излучения без необходимости использования специальных покрытий.
Хо и его исследовательская группа разработали и протестировали несколько прототипов фракталоподобных конструкций приемников, масштабированных по размеру для работы на малых и средних концентрирующих солнечных установках, и нашли конструкции, которые лучше всего подходят для каждого приложения.
«У Индии другие рыночные драйверы, чем у США», - сказал Хо. «Конкуренцию возобновляемым источникам энергии составляют дизельные генераторы, которые сильно загрязняют окружающую среду и чрезвычайно дороги. Это дает нам немного больше гибкости, чтобы создать меньшую концентрирующую солнечную энергетическую систему, которая будет работать на их нужды».
Тестирование первых трехмерных «печатных» солнечных приемников
Команда впервые применила метод аддитивного производства, называемый сплавлением в порошковом слое, для печати своих небольших конструкций приемников из Iconel 718, жаропрочного никелевого сплава. Хо сказал, что эта новая технология печати обеспечивает экономичный способ тестирования нескольких фрактальных конструкций в небольшом масштабе и может быть использована в будущем для печати целых секций более крупных солнечных приемников.
«Аддитивное производство позволило нам создать сложную геометрию трубок приемника в мелкосерийном прототипе», - сказал Хо. «Изготовить эти сложные геометрические формы с использованием традиционных методов, таких как экструзия, литье или сварка, было бы сложно».
Новые конструкции работают с обычными жидкостями-теплоносителями для концентрации солнечной энергии, включая расплавленные соли и пар, но они также могут использовать другие среды для передачи и хранения тепла.
Sandia оценивает работу ресиверов с различными газами, пропуская воздух, двуокись углерода и гелий через трубки приемника, с конечной целью соединить новые конструкции ресиверов со сверхкритическими циклами Брайтона с двуокисью углерода. Термин «сверхкритический» описывает полужидкое состояние углекислого газа, когда он нагревается выше его нормальной критической температуры и давления. Цикл Брайтона работает за счет использования горячего сверхкритического углекислого газа под давлением для вращения турбины, подобно реактивному двигателю, который вращает генератор для производства электроэнергии.
Хо сказал, что и США, и Индия заинтересованы в разработке сверхкритического диоксида углерода для разработки следующего поколения технологии концентрации солнечной энергии, поскольку она может достичь большей эффективности при меньшей занимаемой площади.
«Целью концентрации солнечной энергии и SERIIUS является разработка эффективного и рентабельного производства электроэнергии с использованием солнечной энергии с накоплением энергии», - сказал Хо. «Использование солнечного цикла Брайтона в сверхкритическом диоксиде углерода повысит эффективность, уменьшит требования к пространству и снизит затраты, связанные с современными крупномасштабными концентрирующими солнечными энергетическими системами».
Меньшая занимаемая площадь и стоимость помогут создать возможность создания небольших (в диапазоне 1-10 мегаватт) сверхкритических углекислотных концентрирующих солнечных электростанций на основе цикла Брайтона, что сделает концентрацию солнечной энергии более конкурентоспособной по сравнению с другими типами возобновляемые источники энергии.