Инженеры из нескольких лабораторий Sandia National Laboratories, базирующийся в Нью-Мексико, разработали солнечные энергоприемники, которые поглощают солнечный свет лучше, чем другие современные солнечные элементы.
Sandia разработала, создала и изучила трехмерные печатные фрактальные концентрирующие приемники солнечной энергии. Разработка также будет применена в их работе в Исследовательском институте солнечной энергии для Индии и США (SERIIUS). Трехмерные печатные приемники для малого и среднего использования до 20% эффективнее поглощают солнечный свет, чем другие используемые в настоящее время технологии.
Пятилетний проект SERIIUS спонсировался Министерством энергетики США и правительством Индии и возглавляется Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) и Индийским институтом науки. Его цель в том, чтобы решить проблемы рынков США и Индии и разработать лучшие экономичные солнечные технологии для обеих стран.
Sandia была сосредоточена на масштабируемых солнечных энергетических системах, и, по словам Клиффорда Хо, управляющего, исследователя и разработчика Mechanical Engineering for Sandia, Индия хочет развивать объекты мощностью 1 мегаватт или меньше, которые могут обеспечивать электричеством небольшие деревни. Если эффективность небольших солнечных приемников будет улучшена, то это может стать реальностью.
Типичные конструкции приемников имеют трубки, расположенные в цилиндре или просто плоскую панель из трубок, и они могут поглощать до 80% -90% концентрированного солнечного света, учитывая потери тепла и отражения. Но Хо сказал, что для повышения масштабируемости и снижения затрат необходим усовершенствованный дизайн, чтобы сделать приемники более эффективными.
— Когда свет отражается от плоской поверхности, он исчезает. На плоской конструкции приемника 5% или более концентрированного солнечного света отражаются. Таким образом, мы сконфигурировали панели из трубок в радиальном или жалюзи-виде, которые захватывают свет в разных масштабах. Мы хотели, чтобы свет отражался, а затем снова отражался в глубине приемника и поглощался, как стены звукоизолированной комнаты, — объяснил Хо.
Другие исследования по повышению эффективности были сконцентрированы вокруг применения специальных покрытий, но многие из них могут разрушаться с течением времени, что приводит к увеличению затрат и уменьшению способности поглощать солнечный свет. Фракталоподобный приемник, разработанный инженерами Sandia, может повысить эффективность поглощения солнечной энергии без применения специальных покрытий.
Команда создала несколько приемников-прототипов на своем Национальном солнечном тепловом испытательном объекте и проверила их способность поглощать солнечный свет, который можно использовать для выработки электроэнергии, при этом тесты проводились при высоком давлении и температуре. Объект состоит из рядов зеркал-гелиостатов, которые отражают и концентрируют солнечный свет на центральном приемнике на вершине высокого здания; приемник поглощает тепло от солнца и вырабатывает газ, который течет через его обшивку и может быть сохранен или использован немедленно для производства электроэнергии.
Различные трехмерные печатные образцы прототипов приемников были разного размера, чтобы увидеть, какой из них лучше всего подходит для малых и средних концентрационных солнечных установок. Конструкции могут быть соединены с другими приборами для передачи и хранения тепла и хорошо работают с обычными теплоносителями для концентрирования солнечной энергии.
— Производство присадок позволило нам создавать сложные геометрии для труб приемника в небольшом прототипе. Изготовление этих сложных геометрий с использованием традиционных методов, таких как экструзия, литье или сварка, было бы трудным, — уверен исследователь.
Команда Sandia использовала высокотемпературный никелевый сплав Инконель 718 и технологию сварки порошковым слоем для печати мелкомасштабных конструкций приемников. Новый метод 3D-печати был экономически эффективным способом тестирования различных конструкций в меньших масштабах, и он может даже использоваться снова для печати целых секций увеличенных солнечных приемников.
В попытке объединить новые приемники с циклами сверхкритического диоксида углерода в Брайтонском цикле, инженеры пропускают воздух, гелий и углекислый газ через трубки-приемники и оценивают производительность. Хо сказал, что и Индия, и США заинтересованы в потенциальном использовании сверхкритического углекислого газа для разработки технологии обогащения солнечной энергии следующего поколения.
— Целью концентрации солнечной энергии и SERIIUS является разработка эффективного, экономически выгодного производства солнечной электроэнергии с хранением. Использование соляризованной сверхкритической двуокиси углерода в Брайтонском цикле позволит повысить эффективность, уменьшить потребность в пространстве и снизить затраты, связанные с современными крупномасштабными концентрирующими солнечными энергетическими системами, — пояснил Хо.
В описании говорится о полужидком состоянии двуокиси углерода, когда он нагревается до его нормальной критической температуры и давления, в то время как цикл Брайтона использует сжатый горячий сверхкритический углекислый газ для вращения турбины, который затем вращает генератор для производства электроэнергии.