На этой неделе в Сандийской национальной лаборатории Министерства энергетики США заложили фундамент гелиоконцентратора нового типа. Установка в виде комплекса отражателей и башни с рабочим веществом и генератором должна быть введена в строй осенью 2024 года. Запас тепловой энергии в установке позволит хранить до 1 ГВт•ч электрической энергии.
Источник изображения: Sandia Labs
На установке будут испытаны новейшие способы накопления, хранения и выработки электричества, получаемого от Солнца. Это будет демонстратор, который позволит оценить возможность масштабирования установки для коммерческого использования. Построенный в Sandia Labs демонстратор будет использовать генератор мощностью 1 МВт. Будущие коммерческие гелиоконцентраторы будут оборудованы 100-МВт турбинами, что в перспективе, как рассчитывают в Министерстве энергетики, позволит снизить стоимость электрической энергии до 5 центов за кВт•ч к 2030 году.
Современные гелиоконцентраторы греют воду или расплавы солей сфокусированными лучами солнца и вращают турбины перегретым водяным паром. Но проблема кроется в другом. Когда солнце не светит, вода сравнительно быстро теряет накопленное тепло даже при наличии тепловой изоляции. Учёные Сандийской лаборатории потратили около пяти лет на поиск наиболее эффективного материала для поглощения и накопления тепловой энергии, а также на разработку системы превращения тепла в электричество.
На выходе научной работы с привлечением компьютерного моделирования появился проект гелиоконцентратора с использованием твёрдого, похожего на песок материала, состоящего из керамических частиц бокситов. Сыпучий материал поднимается на верх башни и сыплется сквозь приёмник падающих частиц (FPR). В приёмнике частицы разогреваются сфокусированными лучами солнца до температуры свыше 800 °C. Упав в накопительный контейнер внизу башни, разогретые частицы либо сразу используются для выработки электричества, либо хранятся до начала использования, например, в ночное время суток.
Превращение тепла в электричество также будет осуществляться по-новому. Для этого пришлось переделать систему подачи теплоносителя и блок турбины. Поскольку в современных гелиоконцентраторах температура теплоносителя не поднимается выше 560 °C, для передачи тепла с температурами выше 800 °C потребовались отличные от обычных металлов и сплавов материалы, которые бы не размягчались. Выбор был сделан в пользу карбида циркония и вольфрама — сплавов, используемых в дюзах твердотопливных ракетных ускорителей.
Более высокая температура аккумуляции и теплоносителя также заставила отказаться от воды и водяного пара как от механизма для вращения лопаток турбин. В опытной установке Generation 3 Particle Pilot Plant (G3P3) в качестве рабочей жидкости используется сверхкритический диоксид углерода в цикле Брейтона. Углекислый газ можно нагревать до температур более 700 °C. Чем выше температура аккумуляции и теплоносителя, тем эффективнее в итоге процессы и установка. Осталось подождать полтора года до запуска демонстратора G3P3 и несколько больше для оценки эффективности его работы.