Три способа повысить эффективность концентрированной солнечной энергии

Сотни зеркал фокусируют солнечный свет в ресивере наверху 60-метровой солнечной вышки, расположенной на испытательном полигоне Сандийских национальных лабораторий в Альбукерке. В традиционных системах свет превращал бы воду или другую жидкость в пар, который запускал бы электрические турбины. Но тут концентрированный солнечный луч падает на мелкие керамические частицы, похожие на черный песок и легко достигающие температуры на 100˚ C выше, чем жидкость, которую используют обычно. Это позволяет увеличить объем доступной энергии, а также сократить стоимость ее производства и хранения.

Этот подход — один из трех, которые, по мнению ученых Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (NREL), помогут сделать, наконец, концентрированную тепловую энергию доступной и экологически чистой. Две других — это система на расплаве солей и теплообменная жидкость. Все они позволят добиться поставленной в 2011 министерством энергетики США цели — производства солнечной тепловой энергии по цене 6 центов за киловатт-час к 2020 году.

В сентябре министерство объявило о том, что инвестирует $62 млн примерно в десяток перспективных проектов, развивающихся в одном из этих трех направлений. Заявки на гранты подали ученые из Сандийских национальных лабораторий, Национальной лаборатории Саванна-Ривер, компании Brayton Energy.

Большим преимуществом концентрированной солнечной энергии над фотоэлектричеством является то, что тепловую энергию гораздо легче хранить, и она доступнее электрической. Это означает, что станции могут корректировать ее выработку, подгоняя под насущные потребности электросети. Такой гибкости солнечным панелям сложно добиться без больших и дорогих аккумуляторов или других способов хранения энергии, обладающих своими ограничениями.

Недостаток этой технологии в том, что строительство и эксплуатация станции обходится дорого. Например, станция Ivanpah в пустыне Мохаве, которой владеют BrightSource, NRG и Google, стоит $2,2 млрд и из-за низкой производительности находится под угрозой закрытия. Несколько других станций, расположенных там же, прекратили свою работу по окончании срока государственной поддержки.

Для того чтобы увеличить производительность таких станций, ученые предлагают ввести так называемый брайтоновский цикл, который увеличит эффективность традиционных паровых турбин на 30%. Но для этого энергетический цикл требует, чтобы источник тепла был разогрет минимум до 700˚ C, чтобы реализовать весь потенциал. Все три предложенных NREL метода позволяют добиться таких температур, хотя у каждого есть свои плюсы и минусы.

Технология, предложенная Сандийскими лабораториями, наиболее близка к рабочему прототипу. Падающие частицы, состоящие в основном из оксида алюминия и железа, проходя через сфокусированный солнечный луч, снова поднимаются наверх, в замкнутом цикле, и разогреваются до температуры 900˚ C, сообщает MIT Technology Review.

Специалисты МТИ изобрели устройство, позволяющее накапливать и хранить тепловую энергию в течение дня. В отличие от материалов с изменением фазы это изобретение основано на принципе «молекулярных переключателей», которые изменяют форму вещества в зависимости от освещения.