Tim MIT telah mengembangkan sistem baru untuk menangkap dan menyimpan panas matahari sehingga dapat digunakan untuk menghasilkan listrik kapan pun dibutuhkan. Sistem baru ini sederhana, tahan lama, dan murah. Cermin yang dipasang di lereng bukit memantulkan sinar matahari langsung ke tangki besar berisi garam cair, yang menyerap panas di seluruh kedalamannya. Sistem ini dapat menangani kekuatan intens matahari tengah hari serta perubahan suhu sepanjang hari dan malam tanpa gangguan struktural atau gangguan dalam produksi daya. Studi pemodelan dan percobaan skala laboratorium mengkonfirmasi kelayakan konsep dan ketersediaan area berbukit yang luas yang cocok untuk instalasi. Tim dari MIT dan Masdar Institute sekarang mengembangkan versi skala pilot dari sistem yang akan segera diuji di fasilitas eksperimental utama di Masdar.
Banyak pabrik skala komersial sekarang menghasilkan listrik menggunakan panas matahari – sumber energi terbarukan kita yang paling berlimpah. Dalam satu pendekatan populer, array besar heliostats (cermin pelacak matahari) memantulkan sinar matahari ke puncak menara yang terletak di pusat, di mana ia berfokus pada tabung yang membawa cairan yang menyerap panas. Fluida yang dipanaskan kemudian dipompa ke generator uap, di mana ia mengubah air menjadi uap yang menggerakkan turbin yang menghasilkan listrik. Tetapi menara itu mahal; pipa dan pompa mahal untuk dipasang dan dijalankan; dan sinar matahari yang sangat terfokus dan perputaran yang konstan antara panas dan dingin menantang sebagian besar material. Selain itu, “menara listrik” ini umumnya memerlukan sistem terpisah untuk menyimpan panas untuk digunakan ketika sinar matahari tidak tersedia.
Bagi Alexander Slocum, Profesor Teknik Mesin Pappalardo, tampaknya harus ada cara yang lebih baik. Termotivasi oleh keyakinan itu, ia dan tim kolega interdisipliner di MIT dan Masdar Institute di Abu Dhabi kini membawa sistem skala bangku baru yang dikembangkan oleh peserta MIT ke tingkat pengujian berikutnya — di fasilitas eksperimental skala besar di Masdar. Sistem ini – disebut CSPonD, untuk “Tenaga Surya Terkonsentrasi pada Permintaan” – keduanya menangkap dan menyimpan energi panas matahari, sebagian besar memanfaatkan elemen teknologi yang dikenal secara energetik yang digabungkan dalam arsitektur sistem baru.
Inti dari sistem CSPonD adalah tangki besar (diilustrasikan di bawah ini) yang mengandung garam cair — suatu zat yang dapat menangani suhu yang sangat tinggi dan memiliki kapasitas besar untuk menyerap panas. Array heliostats terletak di sisi bukit, tangki garam di kaki bukit. Heliostat memfokuskan sinar matahari melalui lubang kecil di tangki langsung ke permukaan garam (lihat diagram kedua di bawah), di mana ia menembus garam dan diserap sepanjang kedalamannya. Konveksi alami menyebarkan panas melalui seluruh volume garam cair. Selama pembangkit listrik, garam panas ditarik dari atas dan melewati generator uap; dingin, tetapi masih meleleh, garam yang meninggalkan pembuat uap dikembalikan ke dasar tangki. “Pembagi pelat” yang dapat dipindahkan antara bagian atas dan bawah mempertahankan volume garam yang tinggi pada suhu yang konstan. Di malam hari atau saat mendung, pintu tertutup untuk mengurangi kehilangan panas.
Sistem Penerima
Pengaturan ini memberikan sejumlah keuntungan. Energi matahari bertemu langsung dengan fluida kerja — tidak diperlukan tabung — dan garam dapat mencapai 600 ° C atau bahkan 800 ° C, yang cukup panas untuk produksi daya yang sangat efisien dengan sistem uap tercanggih saat ini atau sistem ultra-efisien di masa depan menggunakan karbon dioksida superkritis. Karena panas diserap ke seluruh garam yang meleleh, perubahan suhu tidak tiba-tiba atau ekstrem, sehingga tidak perlu menggunakan bahan-bahan mahal yang dapat mentolerir semua energi yang diberikan matahari pada tengah hari. “Anda dapat memfokuskan sinar matahari yang intens, dan Anda tidak akan membakar penerima karena Anda tidak dapat melukai garamnya,” kata Slocum. Dan garam sederhana yang rencananya akan digunakan oleh tim terkenal di industri. Selama abad terakhir, perusahaan di seluruh dunia memiliki baja yang diberi perlakuan panas dengan merendamnya dalam tong terbuka besar berisi garam panas — mirip dengan tangki CSPonD — dan garam cair secara teratur digunakan sebagai cairan pemindah panas di pabrik industri.
Akhirnya, desain baru dapat menangani endapan debu dan kotoran. Ketika badai debu terjadi, penutup pada tangki CSPonD dapat ditutup. Setiap kotoran yang mendarat di atas garam cair akan tenggelam ke dasar di mana garam tersebut dapat dihilangkan kemudian selama pembersihan berkala — seperti halnya tangki garam cair secara berkala dibersihkan di industri. Penumpukan debu pada cermin heliostat masih menjadi perhatian, seperti halnya dengan sistem energi surya; tetapi dalam jangka pendek, susunan heliostat dapat terlalu besar untuk memastikan bahwa produksi memenuhi permintaan — bahkan di antara pembersihan. Dan tidak seperti sistem konvensional, CSPonD dapat menangani sinar matahari apa pun yang dikirim ketika cermin baru saja dibersihkan dan memantulkan daya penuh. Dalam jangka panjang, permukaan yang bisa dibersihkan sendiri lebih baik untuk dibawa ke pasar, terutama jika ada permintaan.
Dirancang Untuk Penyimpanan
Untuk memastikan bahwa lapisan atas garam panas selalu tersedia untuk produksi daya, Anda harus menjaga agar garam dinginnya tetap berada di tempatnya — di bagian bawah tangki. Sebagian besar sistem penyimpanan panas komersial mencegah pencampuran dengan menggunakan tangki panas dan dingin individual yang dihubungkan dengan selang dan pompa. Tetapi sistem CSPonD memisahkan panas dan dingin di dalam tangki tunggal.
Pelat pembagi horizontal (ditunjukkan pada gambar pertama) ditempatkan di tangki dengan celah antara tepi dan dinding tangki. Aktuator kecil (dengan konsumsi daya yang dapat diabaikan) menggerakkan pelat pembagi yang longgar, sebagian besar mengapung ke atas dan ke bawah untuk mempertahankan volume garam panas dan dingin yang diperlukan untuk operasi terus menerus. Saat sinar matahari memanaskan garam, pelat pembagi diturunkan, dan garam dingin dari bawah bergerak ke atas melalui celah untuk dipanaskan. Dengan demikian, pada akhir hari yang cerah, piring pembagi telah turun, dan wilayah garam panas terisi penuh. Ketika sinar matahari tidak lagi tersedia dan panas sedang diekstraksi untuk menghasilkan listrik, pelat pembagi secara perlahan dinaikkan untuk memungkinkan zona dingin untuk diisi ulang sementara garam panas disuplai ke pembangkit uap. Ketika sinar matahari kembali, piring sekali lagi turun, memungkinkan garam dingin naik untuk dipanaskan. Kontrol hati-hati dari posisi pelat memastikan bahwa garam panas tetap pada suhu konstan, pada dasarnya menyeimbangkan input energi surya dengan energi yang diekstraksi dan disimpan.
Hasil pemodelan, bukti eksperimental
Sebagai tes awal dari konsep mereka, para peneliti mensimulasikan kinerja sistem CSPonD yang mencakup sebuah tangki dengan kedalaman 5 meter, diameter 25 meter, dan diisi dengan 4.500 ton (2.500 meter kubik) garam cair pada 600 ° C. Analisis tersebut menyimpulkan bahwa sistem yang ditentukan dapat menggerakkan turbin uap 4 megawatt-listrik (MWe) 24/7 (berdasarkan 7 jam sinar matahari dan 17 jam penyimpanan) – listrik yang cukup untuk memasok sekitar 2.000 rumah. Terlalu besar oversize bidang heliostat untuk mengumpulkan lebih banyak energi matahari akan memungkinkan sistem untuk beroperasi selama 24 jam tambahan (satu hari berawan).
Analisis ekonomi menggunakan model dari National Renewable Energy Laboratory menyimpulkan bahwa biaya listrik rata dari sistem CSPonD adalah antara $ 0,07 dan $ 0,33 per kilowatt-jam. Sementara perkiraan yang lebih tinggi saat ini sangat tinggi, perkiraan yang lebih rendah akan bersaing dengan biaya listrik dari sumber daya konvensional saat ini. Penelitian yang sekarang sedang berjalan akan membantu untuk lebih menjelaskan biaya yang sebenarnya. Kelayakan praktis CSPonD tentu saja bergantung pada ketersediaan bukit yang sesuai untuk instalasi heliostat. Seberapa besar bukit-bukit itu harus, dan akankah.
Kunjungi situs rekomendasi blog kami : Userbola
situs yang cocok sulit ditemukan? Untuk mengetahuinya, para peneliti yang dipimpin oleh Alexander Mitsos, mantan asisten profesor teknik mesin di MIT dan sekarang profesor teknik kimia di RWTH Aachen University di Jerman, mengembangkan algoritma baru yang mengidentifikasi situs potensial menggunakan data pada topografi, insolasi matahari, dan kondisi lainnya. ditambah model operasi sistem CSPonD.
Mereka kemudian melakukan dua studi kasus yang berfokus pada pangkalan militer pemerintah di White Sands, New Mexico, dan China Lake, California. Analisis menunjukkan bahwa 15% dari total 10.000 kilometer persegi tanah di dua pangkalan akan sesuai untuk instalasi CSPonD. Dengan 30% dari lahan yang tersedia ditutupi oleh heliostats, instalasi di setiap situs dapat terus menghasilkan daya 20 gigawatt. “Jadi kedua pangkalan itu bersama-sama dapat menyediakan 40 gigawatt daya, yang merupakan sekitar 4% dari kebutuhan listrik negara,” kata Slocum. “Dan itu hanya menggunakan sepotong kecil dari semua lereng bukit yang mereka miliki.” Slocum menambahkan: “Korps Insinyur Angkatan Darat bertanggung jawab atas pesisir dan saluran air negara kami untuk menjaga perdagangan mengalir dan melindungi cara hidup kami di rumah, dan masuk akal bahwa tanah pemerintah yang luas juga digunakan untuk melindungi keamanan energi kami dan memerangi perubahan iklim . “
Saat memasang heliostat di lereng bukit bukanlah prosedur standar, Slocum tidak peduli. “Kita mungkin perlu merancang dan membuat peralatan khusus untuk mendaki sisi bukit, muncul di heliostats,” katanya. “Tetapi perusahaan telah mendesain mesin-mesin kehutanan yang luar biasa yang menanjak jauh lebih curam selama beberapa dekade. Ini bukan masalah untuk skala sistem yang akan dibutuhkan. “
Eksperimen skala bangku awal menunjukkan bahwa konsep CSPonD secara teknis sehat. Sebagai contoh, dalam satu set tes, para peneliti menunjukkan bahwa sinar matahari terkonsentrasi memang akan menembus dan diserap oleh garam cair melalui kedalaman 4 hingga 5 meter — cukup bagi sistem CSPonD untuk tidak terganggu oleh perubahan dalam insolasi matahari karena awan yang lewat. . Dalam pengujian lain, mereka merancang dan membangun tangki CSPonD skala kecil yang dilengkapi dengan pelat pembagi yang dapat digerakkan dan kemudian menyorotkan cahaya dari simulator surya fluks tinggi ke garam cair di dalamnya. Mereka menemukan bahwa konveksi alami di daerah atas mempromosikan pencampuran, menjaga permukaan atas dari panas berlebih sekaligus memaksimalkan penyimpanan panas dalam volume garam tertentu. Dan pelat pembagi yang terendam berhasil memisahkan volume garam panas dan dingin sesuai kebutuhan untuk operasi yang berkelanjutan.
CSPonD tank configurations
Langkah selanjutnya
Untuk menguji konsep CSPonD pada skala yang lebih besar, para peneliti MIT telah mulai bekerja dengan rekan-rekan di Masdar Institute yang mengoperasikan “fasilitas balok-down” eksperimental utama yang mencakup 33 heliostats dan menara 66 kaki dengan cermin yang memantulkan sinar matahari ke dalam penerima pusat. Dalam pekerjaan yang akan datang, para peneliti akan mengganti penerima dengan sistem CSPonD kecil. Heliostats akan memfokuskan sinar matahari langsung ke tangki (lihat diagram kedua). Sistem skala kecil awal akan menyimpan energi panas yang cukup untuk pembangkit listrik 25 kilowatt-jam. “Kami akan menggunakannya untuk menguji teori desain kami dan masalah implementasi praktis,” kata Slocum. “Lalu pada langkah selanjutnya kita bisa meningkatkan ke mesin yang jauh lebih besar.”
Slocum menekankan bahwa ia tidak menampik teknologi surya lainnya dan merasa keanekaragaman adalah kunci untuk ketahanan dan inovasi berkelanjutan. Memang, ia memuji fotovoltaik dan sistem panas matahari “dari berbagai rasa” dan mencatat khususnya bahwa setiap orang setidaknya harus memiliki sistem air panas atap surya. Tapi CSPonD mungkin menjadi pilihan terbaik untuk lokasi tertentu dan karenanya merupakan tambahan yang berharga untuk apa yang Slocum sebut sebagai “diet pilihan seimbang untuk memberi makan selera energi yang terus meningkat umat manusia.”
Penelitian ini didukung sebagian oleh Yayasan Penelitian dan Pendidikan Siprus, Program Dana Benih MIT Energy Initiative (MITEI), dan Lockheed Martin, Anggota Pendukung MITEI. Pekerjaan skala pilot yang sedang berlangsung sebagian didanai oleh perjanjian kerja sama antara Institut Sains dan Teknologi Masdar dan MIT. Beasiswa mahasiswa pascasarjana disediakan oleh S.D. Bechtel, Jr Foundation, Yayasan Keluarga Chesonis, dan Yayasan Bill and Melinda Gates.
Peserta MIT lainnya dalam proyek CSPonD adalah Profesor Emilio Baglietto dari ilmu dan teknik nuklir (NSE), Dr. Daniel S. Codd dari teknik mesin (ME), Dr. Charles W. Forsberg dan Dr. Thomas J. McKrell dari NSE, dan Profesor David L. Trumper dari ME. Peserta dari Masdar Institute termasuk Profesor Peter Armstrong dan Nicolas Calvet, keduanya teknik mesin dan material.