ऊर्जा के लिए सूर्य के दो रास्ते: सौर हाइड्रोजन उत्पादन और संकेंद्रित सौर ऊर्जा को समझना

जबकि अधिकांश व्यक्ति सौर ऊर्जा के बारे में फोटोवोल्टिक पैनलों के माध्यम से ऊर्जा के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने के बारे में सोचते हैं; केवल फोटोवोल्टिक पैनलों के अलावा और भी कई तरीके हैं जहां आप सूर्य के माध्यम से मूल्य प्राप्त कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, आप स्वच्छ हाइड्रोजन ईंधन का उत्पादन करने और गर्मी के माध्यम से उपयोगिता पैमाने पर बिजली उत्पन्न करने के लिए सूर्य का उपयोग कर सकते हैं। कुछ रोमांचक नई प्रौद्योगिकियां हैं जो सौर ऊर्जा को बढ़ावा दे रही हैं: सौर ऊर्जा स्रोतों से हाइड्रोजन और केंद्रित सौर ऊर्जा (सीएसपी)।

हाइड्रोजन को कई कारणों से "कल का ईंधन" कहा जाता है। हाइड्रोजन में लगभग 142 एमजे/किग्रा ऊर्जा सामग्री होती है, और यदि आप ईंधन सेल में हाइड्रोजन का उपयोग करते हैं, तो उत्पन्न होने वाला एकमात्र उत्सर्जन पानी से होता है। हालाँकि, बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन ईंधन का स्वच्छ तरीके से उत्पादन करना, हाइड्रोजन उत्पादन के लिए अभी भी एक बड़ी चुनौती है। इस समस्या को हल करने का एक तरीका हाइड्रोजन उत्पादन के साधन के रूप में पानी को विभाजित करने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करना है, इस प्रक्रिया में शून्य ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन होता है।

सौर ऊर्जा से हाइड्रोजन उत्पादन के तीन मुख्य प्रकार हैं जो वर्तमान में विभिन्न परिपक्वता स्तरों पर हैं:

पहली तकनीक (सबसे परिपक्व) इलेक्ट्रोलाइज़र के साथ मिलकर फोटोवोल्टिक (पीवी) पैनल का उपयोग करती है। इलेक्ट्रोलाइज़र विद्युत उपकरण हैं जो बिजली लेते हैं और गर्मी और ताप हस्तांतरण का उपयोग करके पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में परिवर्तित करते हैं। पीवी सिस्टम सर्वाधिक विकसित और आसानी से उपलब्ध हैं; पीवी सिस्टम बहुत मॉड्यूलर और विश्वसनीय हैं; जब पीवी और इलेक्ट्रोलाइज़र बिना किसी बिजली रूपांतरण उपकरण के जुड़े होते हैं, तो पूरे सिस्टम की एसटीएच रूपांतरण दक्षता सैद्धांतिक सीमा तक पहुंच जाती है।

शोध से पता चलता है कि संकेंद्रित पीवी सिस्टम पारंपरिक सिस्टम से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। 750 सूर्य सांद्रता के तहत InGaP/GaAs/Ge कोशिकाओं का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने मॉड्यूल क्षेत्र के प्रति वर्ग मीटर 0.8-1.0 लीटर हाइड्रोजन प्रति मिनट की उत्पादन दर के साथ 18-21% की STH दक्षता हासिल की। तुलनात्मक रूप से, एक सूर्य के नीचे पारंपरिक सिलिकॉन मॉड्यूल, लगभग 0.3 एल/मिनट · वर्ग मीटर की उत्पादन दर के साथ केवल 9.4% एसटीएच दक्षता हासिल करते हैं। यह संकेंद्रित प्रणालियों के लिए 1.5 से 3 गुना के प्रदर्शन लाभ का प्रतिनिधित्व करता है।

जल इलेक्ट्रोलिसिस के उपयोग की प्रभावी सीमा 70-80% के बीच है, जो भविष्य में नवीकरणीय बिजली की कीमतों पर विचार करते समय इस विकल्प को और अधिक आकर्षक बनाती है। अभी एकमात्र बड़ी चुनौती इलेक्ट्रोलाइज़र की ऊंची कीमत और सौर विकिरण की अप्रत्याशितता है, जिसके परिणामस्वरूप सिस्टम में सावधानीपूर्वक एकीकरण की आवश्यकता है।

फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल (पीईसी) सिस्टम पहले विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करके और फिर पानी से हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए उस ऊर्जा का उपयोग करके पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के लिए पिछले तरीकों की तुलना में अधिक एकीकृत दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। पीईसी पानी में डूबे अर्धचालक पदार्थों का उपयोग करते हैं, जो सूर्य से प्रकाश को अवशोषित करने और पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन के रूप में रासायनिक रूप से ऊर्जा को संग्रहीत करने में सीधे परिवर्तित करने में सक्षम हैं। ऐसा तब होता है जब प्रकाश अर्धचालक से टकराकर इलेक्ट्रॉनों/छिद्रों के जोड़े बनाता है। अर्धचालक तंत्र में इलेक्ट्रॉन हाइड्रोजन बनाने के लिए प्रोटॉन को कम करते हैं; बनाए गए छिद्र ऑक्सीजन पैदा करने वाले पानी के अणुओं को ऑक्सीकरण करेंगे।

पीईसी पर पहली बार लगभग 50 साल पहले शिनिचिरो फुजीशिमा और होंडा द्वारा शोध किया गया था जब उन्होंने पाया कि एक टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीओओ2) इलेक्ट्रोड प्लैटिनम कैथोड/मिश्र धातु के साथ मिलकर और यूवी प्रकाश से प्रकाशित होने पर एच2ओ को एच2 और ओ2 में विभाजित कर सकता है। (इसे "होंडा-फुजीशिमा प्रभाव" कहा जाता है)

वर्तमान में, पीईसी सिस्टम में एक सरल और सुरुचिपूर्ण तंत्र के माध्यम से प्रत्यक्ष सौर ऊर्जा से {{1} हाइड्रोजन रूपांतरण प्राप्त करने की क्षमता के साथ एक आकर्षक, कॉम्पैक्ट डिजाइन है। इन सकारात्मक डिज़ाइन विशेषताओं के बावजूद, PEC तकनीक अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है और व्यावसायीकरण होने से पहले इसे कुछ महत्वपूर्ण चुनौतियों से पार पाना होगा, जैसे कि उनके सौर ऊर्जा रूपांतरण में कम दक्षता, PEC कोशिकाओं को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों का क्षरण, और प्रदर्शन की मापनीयता। इस प्रकार, इन मुद्दों के समाधान के लिए डिज़ाइन की गई उन्नत सामग्रियों और नैनोस्ट्रक्चर्ड फोटोइलेक्ट्रोड पर चल रहे शोध चल रहे हैं।

ऐसा करने के अधिक रचनात्मक तरीकों में से एक जलीय माध्यम में फैले नैनोस्केल आकार के अर्धचालक सामग्रियों (जिन्हें क्वांटम डॉट्स भी कहा जाता है) को फोटोकैटलिस्ट के रूप में उपयोग करना है। सूर्य के प्रकाश से प्रकाशित होने पर वे इलेक्ट्रॉन (और छिद्र) उत्पन्न करते हैं जो कण के इंटरफेस में स्थानांतरित हो सकते हैं और क्रमशः हाइड्रोजन विकास और ऑक्सीजन विकास के रूप में संदर्भित संबंधित ऑक्सीकरण और कमी प्रतिक्रियाओं को शुरू कर सकते हैं।

एकल कण फोटोकैटलिस्ट प्रणाली, या एक कदम उत्तेजना प्रणाली के लिए आवश्यक है कि अर्धचालक का बैंडगैप हाइड्रोजन विकास क्षमता और ऑक्सीजन विकास क्षमता दोनों को फैलाए। एक दो -भाग वाली फोटोकैटलिस्ट प्रणाली या "Z-स्कीम" फोटोकैटलिस्ट कॉन्फ़िगरेशन भी है जहां दो अलग-अलग फोटोकैटलिस्ट एक रासायनिक मध्यस्थ (यानी रेडॉक्स जोड़े) द्वारा एक साथ बंधे होते हैं ताकि पानी का विभाजन दो अलग-अलग चरणों या आधी प्रतिक्रियाओं में हो। यह प्रत्येक प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा को काफी कम कर देता है, जबकि दृश्य प्रकाश की अधिक विविधता का उपयोग करने की अनुमति देता है।

हाल की सफलताएँ इस दृष्टिकोण की क्षमता को प्रदर्शित करती हैं। धातु अनुसंधान संस्थान में लियू गैंग के नेतृत्व में एक चीनी शोध दल ने "संरचनात्मक पुनर्आकार" और "तत्व प्रतिस्थापन" के माध्यम से स्कैंडियम जोड़कर टाइटेनियम डाइऑक्साइड को बढ़ाया {{1}प्रमुख फोटोकैटलिटिक सामग्री -। स्कैंडियम आयन सामग्री की जाली में आसानी से फिट हो जाते हैं, "ट्रैप ज़ोन" को हटा देते हैं जो सामान्य रूप से इलेक्ट्रॉनों को रोकते हैं, और "इलेक्ट्रॉनिक राजमार्ग" बनाने के लिए क्रिस्टल सतह को फिर से आकार देते हैं जो चार्ज वाहक को कुशलतापूर्वक निर्देशित करते हैं।

उन्नत सामग्री 30% से अधिक पराबैंगनी प्रकाश का उपयोग करती है और नकली सूर्य के प्रकाश के तहत पिछले संस्करणों की तुलना में 15 गुना अधिक हाइड्रोजन उत्पादन दर प्राप्त करती है। शोध दल के अनुसार, एक {{3}वर्ग-मीटर मीटर का फोटोकैटलिटिक पैनल सूर्य के प्रकाश में प्रति दिन लगभग 10 लीटर हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है।

जबकि पार्टिकुलेट फोटोकैटलिसिस प्रयोगशाला में रहता है, बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए इसकी क्षमता आकर्षक है। पीवी{3}इलेक्ट्रोलिसिस या पीईसी सिस्टम की तुलना में पाउडर रूप के फोटोकैटलिस्ट को संभालना आसान होता है और संभावित रूप से सस्ती प्रक्रियाओं का उपयोग करके बड़े क्षेत्रों में फैलाने में अधिक सक्षम होते हैं।

सांद्रित सौर ऊर्जा (सीएसपी) सूर्य का दोहन करने के लिए मौलिक रूप से अलग दृष्टिकोण अपनाती है। प्रकाश को सीधे बिजली में परिवर्तित करने के बजाय, सीएसपी सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करने, उच्च तापमान वाली गर्मी उत्पन्न करने और फिर बिजली पैदा करने के लिए पारंपरिक टर्बाइन चलाने के लिए दर्पण का उपयोग करता है।

मूल अवधारणा बहुत सीधी है. हेलियोस्टैट्स, या दर्पणों की व्यवस्था, सूर्य के दैनिक पाठ्यक्रम का अनुसरण करती है और एक टॉवर के शीर्ष पर स्थित एक कलेक्टर को सूर्य की किरणों को प्रतिबिंबित करती है। सूर्य के प्रकाश की इस सांद्रता का उपयोग कार्यशील तरल पदार्थ को बहुत उच्च तापमान तक गर्म करने के लिए किया जाता है, और एक बार गर्मी उत्पन्न होने के बाद, गर्म कार्यशील तरल पदार्थ का उपयोग भाप उत्पन्न करने में किया जाता है जो जनरेटर को चलाने वाले टरबाइन को घुमाएगा।

सीएसपी प्रणाली में थर्मल ऊर्जा भंडारण को शामिल करने की क्षमता ही सीएसपी को इतने मूल्य का बनाती है। सूर्य की किरणों को केंद्रित करने की प्रक्रिया से उत्पन्न गर्मी को कैप्चर किया जा सकता है और घंटों तक संग्रहीत किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि सीएसपी प्रणाली से बिजली का उत्पादन सूर्यास्त के लंबे समय बाद भी हो सकता है। सीएसपी का प्रेषणीय पहलू {{2}अर्थात्, जब आपको बिजली की आवश्यकता होती है तो आप इसका उत्पादन कर सकते हैं{{3}वही सीएसपी को पीवी सौर प्रणालियों से अलग करता है, जो रात में या बादल छाने पर बिजली का उत्पादन बंद कर देते हैं।

वर्तमान में पिरामिड के शीर्ष पर पाई जाने वाली तकनीक (स्पेन में जेमासोलर, नेवादा में क्रिसेंट ड्यून्स और नूर III) में तरल पिघला हुआ नमक न केवल गर्मी स्थानांतरित करने के लिए, बल्कि ऊर्जा भंडारण के लिए भी उपयोग किया जाता है। तीनों प्रणालियों ने अकेले तरल पिघले हुए नमक के साथ 15 घंटे से अधिक ऊर्जा भंडारण बनाए रखते हुए पूरे 24 घंटे तक लगातार काम करने की क्षमता का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग का संकेंद्रित सौर ऊर्जा उत्पादन 3 (सीएसपी जेन3) कार्यक्रम इस तकनीक को मौजूदा वाणिज्यिक स्तर के सीएसपी सिस्टम से आगे बढ़ाएगा। CSP Gen3 कार्यक्रम के तहत खोजे जा रहे डिज़ाइन दृष्टिकोणों में से एक "लिक्विड पाथवे" प्रणाली है, जो ऊर्जा भंडारण के रूप में अपेक्षाकृत कम लागत वाले तरल क्लोराइड और सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड (sCO2) पावर चक्र में गर्मी स्थानांतरित करने के लिए लगभग 740oC पर एक तरल सोडियम रिसीवर का उपयोग करता है। संपूर्ण sCO2 बिजली चक्र पारंपरिक भाप रैंकिन प्रकार के चक्रों की तुलना में उच्च दक्षता पर काम करेगा।

यह वर्तमान संयंत्रों से एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है, जो आम तौर पर नाइट्रेट लवण का उपयोग करके लगभग 565 डिग्री पर काम करते हैं। उच्च परिचालन तापमान अधिक दक्षता प्रदान करता है और ऊर्जा की स्तरित लागत को कम करता है {{2}जेन3 लक्ष्य $60 प्रति मेगावाट{5}घंटे से नीचे है।

एक दो - टैंक पिघला हुआ नमक सिस्टम ऑपरेटरों को चार्ज करने के लिए सौर रिसीवर के माध्यम से नमक प्रसारित करने की अनुमति देता है ("गर्म" टैंक को गर्म करना), और फिर डिस्चार्ज की आवश्यकता होने पर भाप उत्पन्न करने के लिए हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से। भंडारण की तापीय दक्षता स्वयं उच्च है -इंसुलेटेड टैंकों में ताप भंडारण दैनिक चक्रों के लिए 90% दक्षता से अधिक है।

हालाँकि, बिजली भंडारण के लिए राउंड-ट्रिप दक्षता को एक बुनियादी सीमा का सामना करना पड़ता है। भाप टरबाइनों के माध्यम से गर्मी को वापस बिजली में परिवर्तित करने से आमतौर पर केवल 35{7}}42% थर्मल दक्षता प्राप्त होती है। यहां तक ​​कि उन्नत सुपरक्रिटिकल CO2 टर्बाइन भी 50% से अधिक के लिए संघर्ष करते हैं। तुलना के लिए, लिथियम आयन बैटरियां नियमित रूप से 85% राउंड-ट्रिप दक्षता से अधिक होती हैं।

इस दक्षता दंड का अर्थ है कि सीएसपी उन अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त है जहां थर्मल स्टोरेज का मूल्य {{0}लंबी अवधि, कम लागत प्रति किलोवाट {{1}घंटे भंडारण, और तुल्यकालिक पीढ़ी प्रदान करने की क्षमता {{2}रूपांतरण हानियों से अधिक है। 6-12 घंटे तक चलने वाले ग्रिड{4}}स्केल भंडारण के लिए, अर्थशास्त्र अभी भी काम कर सकता है।

बिजली पैदा करने के लिए ऊर्जा के नवीकरणीय स्रोतों का विकास, औद्योगिक प्रक्रियाओं के डीकार्बोनाइजेशन में सीएसपी का योगदान और थर्मल स्टोरेज के निर्माण ने सीएसपी को सिर्फ बिजली से परे सेवाएं प्रदान करने की अनुमति दी है। कई औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए 300 से 550 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज के भीतर भाप या सीधी गर्मी की निरंतर, ऑन-डिमांड आपूर्ति की आवश्यकता होती है, जिसमें कागज निर्माण, तेल शोधन और रासायनिक प्रसंस्करण जैसी प्रक्रियाएं शामिल हैं।

बहुत बड़े पैमाने पर पिघला हुआ नमक थर्मल ऊर्जा भंडारण प्रणालियों का उपयोग करके, सीएसपी वास्तविक समय में आवश्यकतानुसार औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए प्रक्रिया भाप और/या सुपरहीट हवा प्रदान करके इस लक्ष्य को प्राप्त कर सकते हैं। इन पिघली हुई -नमक थर्मल ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की बड़ी क्षमताएं इलेक्ट्रोकेमिकल्स बैटरियों के लिए एक बहुत ही लागत प्रभावी विकल्प भी प्रदान करती हैं, जिनकी उपयोग योग्य थर्मल ऊर्जा भंडारण की लागत 35 डॉलर प्रति किलोवाट घंटे (किलोवाट) से कम होती है।

सूर्य की ऊर्जा के दोहन के लिए पूरक विधियाँ हैं, जिनमें सौर हाइड्रोजन उत्पादन और संकेंद्रित सौर ऊर्जा (सीएसपी) शामिल हैं। सूर्य की ऊर्जा को फोटोवोल्टिक (पीवी) इलेक्ट्रोलिसिस और फोटोकैटलिटिक प्रणालियों के माध्यम से रासायनिक ईंधन (हाइड्रोजन) में परिवर्तित किया जाता है जिसे अनिश्चित काल तक संग्रहीत किया जा सकता है। हाइड्रोजन का उपयोग परिवहन, उद्योग और बिजली उत्पादन के लिए किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, सीएसपी गर्मी उत्पन्न करने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करता है। सीएसपी फिर उस थर्मल ऊर्जा को डिस्पैचेबल (व्यवस्थित) डिलीवरी के लिए बिजली में परिवर्तित करता है।

दोनों प्रौद्योगिकियों में तेजी से प्रगति हो रही है। बेहतर सामग्री और सिस्टम एकीकरण के परिणामस्वरूप सौर ऊर्जा से {{1} से लेकर हाइड्रोजन रूपांतरण क्षमता में वृद्धि हुई है; सीएसपी उच्च परिचालन तापमान और कम लागत पर जोर देना जारी रखता है। संयुक्त होने पर, पीवी इलेक्ट्रोलिसिस और सीएसपी एक सौर ऊर्जा से संचालित दुनिया की अनुमति देते हैं जिसमें सूर्य न केवल आवश्यकता पड़ने पर ऊर्जा प्रदान करता है, बल्कि दिन भर के व्यस्त समय में ऊर्जा प्रदान करने के लिए आसानी से संग्रहीत ईंधन का भी उत्पादन करता है।

पृथ्वी को सूर्य से ऊर्जा की भारी आपूर्ति प्राप्त होती है। यह लगभग हर सेकंड पृथ्वी से टकराने वाली 173 ट्रिलियन वाट (1 ट्रिलियन=1,000,000,000,000) के बराबर है। इंजीनियरों के लिए चुनौतियों और अवसरों में सूर्य से ऊर्जा की इस विशाल आपूर्ति को प्राप्त करने के लिए कई तरीकों का उपयोग करने के तरीके खोजना शामिल है।