StorEnergy ——综述非成像光学和热存储作为改善太阳能发电的工具

StorEnergy的目标是将新的理念应用于聚光太阳能发电机,不仅将成本降低到具有竞争力的水平,而且在发电和存储效率方面为产业带来革新

Daniel Ramos、Gabriel Zanko,Mobileyourlife——哥伦比亚特区波哥大

随着化石燃料工业自诞生以来对环境造成的影响,以及我们在污染方面所达到的可怕状态,正如国际社会所同意的,旨在改善与替代能源和开发可再生能源有关的现有系统和技术的项目正在兴起。


引言
近年来技术进步的特点是注重实施系统和装置,以减轻两个多世纪以来工业对我们生活中许多方面的影响,其中最令人关切的是环境状况。
自从早期通过发现和开发化石燃料,燃烧煤炭作为热能、运输和能源以来,污染程度,特别是空气污染,以惊人的速度增加。直到2016年《巴黎协定》的签署,整体焦点才转向开发、普及和改进新的与现有形式的可再生技术,目的是将全球温度的上升幅度,控制在比工业化前水平高2℃以下(注1)

考虑到这一点,可再生能源领域又出现了新的高潮,以提高所需技术的成本效益和可获得性,从而建立自给自足的网络,利用世界不同地区的自然资源。在这份文件中,我们将介绍StorEnergy——在2015年在塞尔维亚成立的一个项目,旨在通过加强能量的收集和转换并强化存储措施,来改善目前公认的太阳能发电系统,以建立一个高效且可持续发电的完整生态系统。

背景

太阳能发电是世界上使用最少的替代能源系统之一,但在过去的几年里,太阳能发电却有了惊人的增长。根据密歇根大学可持续系统中心的数据,截至去年,太阳能发电占美国能源消耗总量的9.1%(注2),BP世界能源统计评论的研究显示,过去20年,全球太阳能发电总量增加了700%以上(注3),成为仅次于水电和风能的第三大应用。

 

发电的过程通常分为两类:光伏电池(PV)或聚光太阳能(CSP)。前者通常与 "太阳能发电 "的形象相关联:大型的深色面板,利用太阳光将电子从半导体材料中分离出来,然后将其设置为流动,电流就会产生、捕捉、转化并分配到电力网络中。从理论上讲,后者是一个比较简单的过程。利用镜面和其他反射面的不同配置,聚光太阳能发电(CSP)系统将太阳的能量转化为高温热能,然后用于加热水和为蒸汽轮机提供动力。

CSP的主要好处之一,是直接产生交流电(AC)而不是只产生直流电(DC),因此它跳过了与光伏电池相关的转换步骤。然而,历史上,光伏发电比CSP更便宜,近年来其价格下降得更厉害,这使得它成为对投资者和组织最有吸引力的选择。这使得目前CSP项目的主要目标是提高该系统的效率,通过增加发电和存储容量或降低制造和维护成本。

 

STORENERGY的提议

StorEnergy由物理学家Marko Vuksanovic创立,旨在通过实施非成像光学的概念,开发新的捕获和存储系统,使CSP技术与光伏系统更近一步,不仅提高系统的发电能力,而且在模块化、可扩展性和稳定性方面也有所提高。

 

聚光器

StorEnergy对当前CSP系统提出的第一个巨大改进,是在其聚光器中的镜面布置上设置一种被称为非成像光学的领域。与传统的光学器件不同,传统的光学器件是基于抛物线透镜来创建一个可靠的图像,非成像光学器件只专注于集中尽可能多的能量,这带来了各种优势,包括(注4)

  • 更宽的接受角度
  • 减少精确跟踪
  • 较高的温度
  • 降低热损失

所有这些优势直接转化为更高效、更具成本效益的系统,同时安装在一个由无障碍材料搭建的平台上,便于跟踪和实现其他功能,如自清洁镜和模块化设计,将StorEnergy的聚光器转化为高科技、最先进的太阳能发电解决方案,温度达到其他CSM技术的3倍。

 

 

能量接收器

StorEnergy的第二项重大发展是创造了一种新型接收器,因为目前的技术达不到足够高的温度,无法充分利用其新的存储系统(下文III.c.中将做解释)。

这种新型号是建立在不锈钢的箱子里,并使用碳化硅陶瓷,它吸收集中器集中的辐射。然后,环境空气被吸入接收器孔中,并流经陶瓷,吸收热量,达到接近1000 °C (1832 °F)的温度。



图4. Exergy接收器的数字显示 。注意中心的陶瓷阵列和顶部的锥形设计进一步集中了来自结构的射线。

蓄热

 

 

作为最后的观点,与当前的CSP技术相比,StorEnergy认为有必要开发一种存储系统,以充分利用新系统达到的较高温度。该解决方案采用了新的固态热存储(SSTS),这是一种钢铁和玻璃产业早就开始使用的再生器原理。

再生器最早用于高炉,并于1857年申请了专利,自那时起,再生器的设计几乎没有变化。它们的功能是将热量从工艺流体连续地交换到固体储热器,然后再将热量传递到第二个工艺流体(注5)。通过将所使用的材料修改为基于氧化铝、建筑钢和岩棉的现代系统,StorEnergy实现了一种储能系统的创建,不仅比其他替代方案(如熔盐储能或电池)更便宜,而且寿命更长,相比之下对工人的健康或环境几乎没有风险。

 

竞争性

前面提到的特点使StorEnergy的系统成为一种替代方案,可以将CSP的效率和成本提高到不仅是光伏系统,而且还能与天然气反应堆等系统竞争。


StorEnergy已经在塞尔维亚建立了两个全面运行的原型,一个是他们较小的MK6聚能器,目前在贝尔格莱德的一个游泳池和温泉综合体中运行,取代了他们与主电网的连接;另一个是他们较大的MK10聚能器,取代了索博维察一家油漆店的天然气发电机。这表明他们的产品有潜力满足各种客户的需求,取决于他们对能源的要求和可用土地的扩展。

StorEnergy的产品功能已得到验证,并计划在2021年之前开发一个更大的MK15聚光器和建造一个200kW的聚光器,这两个项目的设计和指定土地都已完成,StorEnergy有潜力在不久的将来成为太阳能领域最重要的名字之一,而这个世界似乎每天都需要这些替代方案。

 

由Gabriel Zanko撰文,一位技术顾问,MobileyourLife(深层技术和可再生能源投资银行)首席执行官,Urano Capital(深层技术未来种子基金)首席执行官,研究员和演讲者。

 

关于SiGMA的新改版网站:

SiGMA集团很高兴地宣布其全新改版的网站正式上线。该网站目前有5种语言版本,分别是英语、俄语、普通话、葡萄牙语和西班牙语,并计划在未来几个月内增加5种语言版本:法语、泰语、韩语、日语和印地语。

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