Lumineszierende Solarstrom-PV und Thermische Hybrid-Stromerzeugung für kosteneffiziente, dosierbare Solarenergie.
Die Herausforderung bei der
Solarenergie liegt heute nicht in den Kosten der photovoltaischen (PV)
Stromerzeugung, die bereits mit den Preisen für fossile Brennstoffe
konkurrieren, sondern in der Energiespeicherung und der Flexibilität der
Versorgung.
Es gibt kostengünstige thermische
Energiespeicher (TES), die jedoch auf teure Wärmekraftmaschinen angewiesen
sind. Neu ist das Konzept der lumineszierenden Solarenergie (LSP), bei dem das
Sonnenlicht in einem photolumineszierenden (PL) Absorber absorbiert wird,
gefolgt von einer rotverschobenen PL-Emission, die auf die Bandkante einer
benachbarten PV-Zelle abgestimmt ist. Auf diese Weise arbeitet die PV-Zelle
fast so effizient wie bei direkter Beleuchtung, jedoch mit minimaler
übermäßiger Wärmeentwicklung.
Die Temperatur des PL-Absorbers steigt aufgrund der Thermalisierung an, so dass
er die überschüssige Wärme speichern kann, die später in Strom umgewandelt
werden kann. Experimentell wurden maßgeschneiderte lumineszierende Materialien
demonstriert, die für je 1 kWh (virtuellen) Wärmekraftmaschinenstrom zusätzlich
1,5 kWh PV-Strom liefern, wobei eine dynamische Verschiebung zwischen den
beiden Quellen erfolgt. Ein solches ideales Hybridsystem kann zu einer
potenziellen Senkung der Stromkosten für eine Grundlastlösung führen.
Konzentrierte Solarenergie (CSP) bezeichnet eine Technologie, bei der ein thermischer Absorber durch das konzentrierte Sonnenlicht erhitzt wird, was eine thermische Energiespeicherung (TES) für eine planbare Stromerzeugung ermöglicht. Die CSP-Stromerzeugung gilt als teuer, gemessen an den Stromgestehungskosten (LCOE), die in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung derzeit bei etwa 7 Cent/kW h liegen, verglichen mit 2 Cent/kW h für Si-gestützte Photovoltaik (PV) unter ähnlichen regionalen Bedingungen. Die jüngsten industriellen Fortschritte bei kleinen Solarfeldern mit höherem Wirkungsgrad und neuen Wärmekraftmaschinen sowie bei der Hochtemperaturhydrolyse machen die konzentrierte Solarenergie jedoch zu einer unverzichtbaren Alternative zu Batterien für Grundlastlösungen, da sie niedrige Stromgestehungskosten (1 Cent/kW h) aufweist. Projektionen für Grundlast-Solarenergie mit LCOE unter 3 Cent/kW h bedeuten, dass die Hälfte der US-Energieproduktion bis 2050 aus Solarenergie stammen und auch der europäische Green-Deal-Fahrplan erfüllt werden könnte.
Wärmeenergie als auch den PV-Strom aus der Sonnenstrahlung nutzen.
Um sowohl die Wärmeenergie als auch den PV-Strom aus der Sonnenstrahlung zu nutzen, können wir beispielsweise das Konzept der solarthermischen Photovoltaik (STPV) betrachten, bei dem das energetische Ende der thermischen Emission durch eine Solarzelle mit niedriger Bandlücke genutzt wird. Ein anderes, relativ neues Konzept, die thermisch verstärkte Photolumineszenz (TEPL), beinhaltet die Kopplung von PL von einem Absorber mit niedriger Bandlücke zu einer PV-Zelle mit hoher Bandlücke durch thermisch induzierte Blauverschiebung. Trotz sehr hoher theoretischer Höchstwirkungsgrade erfordern diese Konzepte hohe Betriebstemperaturen von etwa 2000 bzw. 1000 °C, was ihre Praxistauglichkeit einschränkt. Außerdem können sie nicht für TES verwendet werden, da beide die Aufrechterhaltung der Wärme für einen maximalen PV-Wirkungsgrad erfordern.
Alternativ dazu können hybrid-konzentrierte photovoltaisch-thermische (PV/T) Verfahren, bei denen die Stromerzeugung durch eine PV-Zelle parallel zur Auskopplung ungenutzter Wärme erfolgt und somit TES ermöglicht, die Anforderungen für die angestrebte erneuerbare Grundlastlösung erfüllen. Derzeitige PV/T-Techniken wie die spektrale Aufteilung, bei der ein Teil des Sonnenspektrums in die PV-Zelle und der andere Teil in einen Wärmekreislauf geleitet wird, sind jedoch unzureichend, da sie die Wärmenutzung der PV-Effizienz opfern oder umgekehrt.
Eine Solarzelle, die üblicherweise mit einem Wirkungsgrad von 20-30 % arbeitet, wandelt die restlichen 70-80 % der einfallenden Sonnenenergie in Wärme um. Wenn die Solarzelle bei hohen Temperaturen, z. B. 500 °C, effizient arbeiten würde, könnte die in der Zelle angesammelte Wärme wie bei der konzentrierten Solarenergie durch eine herkömmliche Wärmekraftmaschine parallel in Strom umgewandelt werden.
Photolumineszierenden Absorber (PL).
Dies würde zu einem zusätzlichen
Wirkungsgrad von 20-30 % führen. Leider ist eine solche ideale
PV/CSP-Hybridlösung mit Solarzellen nicht möglich, da ihr Wirkungsgrad aufgrund
der Verringerung der Leerlaufspannung mit steigender Temperatur sinkt. Was mit
Elektronen in PVs nicht möglich ist, kann jedoch optisch durch photolumineszierende
Absorber (PL) erreicht werden. Soweit uns bekannt ist, wurden
photolumineszierende Absorber im Zusammenhang mit Solarenergie nur in
lumineszierenden Solarkonzentratoren zum Antrieb von PV-Zellen verwendet, ohne
die überschüssige Wärme zur Stromerzeugung zu nutzen.
Der Prozess mit
photolumineszierenden Absorbern ist dem in PV-Zellen sehr ähnlich. Er
beinhaltet in der Regel die Absorption energiereicher Photonen, gefolgt von der
Thermalisierung und der Emission niederenergetischer, rotverschobener Photonen.
Die externe Quanteneffizienz (EQE) - das Verhältnis zwischen emittierten
Photonen und absorbierten Photonen - hängt nicht unbedingt stark von der
Temperatur des PL-Absorbers ab. Wenn die Emission auf die Bandkante einer
PV-Zelle abgestimmt ist, behält der PL-Absorber die zusätzliche Wärme jedes
Photons, während die PV-Zelle die Emission mit minimaler Wärmeverschwendung in
Elektrizität umwandelt. Dieses Konzept, die Lumineszenz-Solarenergie (LSP),
entfernt den thermischen Anteil auf der Einzelphotonen-Ebene und ermöglicht
eine optimale räumliche Trennung der Wärmeenergie von der freien Energie, die
dann der PV-Zelle für eine maximale konzentrierte PV/T-Leistung zur Verfügung
steht.
Die Sonnenstrahlung wird auf einen photolumineszierenden Absorber konzentriert,
der die energiereichen Photonen absorbiert und nach der Thermalisierung
energiearme Photonen mit einem hohen EQE bei hohen Temperaturen emittiert. Eine
diffusive Oberfläche auf der Rückseite des PL-Absorbers und eine
hochreflektierende Beschichtung auf der Vorderseite lenken das PL auf die Seite
der PV-Zelle.
Die emittierten Photonen, kombiniert mit den durchgelassenen, treiben die benachbarte PV-Zelle mit einer passenden Bandlücke von 1,1 eV fast so effizient an wie bei direkter Beleuchtung, jedoch ohne die übermäßige Wärme, die sonst den Wirkungsgrad verringert. Dieser Prozess allein ermöglicht die konzentrierte Photovoltaik (CPV) mit minimaler Erwärmung. Noch wichtiger ist, dass der PL-Absorber durch die Thermalisierung des PL-Prozesses die überschüssige Wärme speichert und auf über 500 °C erhitzt wird. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit (HTF) speichert die Wärme und überträgt sie später an eine Wärmekraftmaschine zur Stromerzeugung.
Durch die Verringerung des HTF-Durchflusses erhöht sich die Temperatur des PL-Absorbers, und die Emission in Richtung der PV-Zelle wird verringert. Auf diese Weise kann Lumineszenz-Solarenergie (LSP) mehr Energie in die Speicherung oder die unmittelbare Versorgung (PV) verlagern. Eine solche Flexibilität im Energiefluss ermöglicht eine vierundzwanzigstündige "On-Demand"-Versorgung mit minimaler Verschwendung, wodurch ein großer Verlust in PV/CSP-Systemen, die eine vorbestimmte Kapazität haben, überwunden wird.
Ein effizientes Lumineszenz-Solarenergie-Gerät hängt von der optischen Leistung des Absorbermaterials ab, insbesondere von seinen solaren Absorptions- und Emissionsspektren und dem EQE unter der konzentrierten Sonne bei für TES relevanten Temperaturen.
Für eine PV-Zelle mit einer Bandlücke von 1,1 eV, die ideal für das Sonnenspektrum ist, sind die Seltenen Erden (RE) Neodym (Nd3+) und Ytterbium (Yb3+) mit Emissionslinien um 1 μm perfekt geeignet. Diese Materialien haben auch eine hohe EQE, wenn sie in transparente Matrizen wie einkristallines (SC) und polykristallines (keramisches) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) dotiert werden, wobei verschiedene Elemente im Gitter ersetzt werden. Die hohe EQE bleibt auch bei hohen Temperaturen erhalten, da die elektronischen Übergänge von den Phononen isoliert sind. Übliche Materialien für die breite Absorption und Sensibilisierung von Nd3+, wie sie für blitzgepumpte Laser verwendet werden, sind Cer (Ce3+) und Chrom (Cr3+).
Wir untersuchten eine Vielzahl dieser Dotierstoffkonzentrationen sowohl mit keramischen als auch mit SC-Modellen. Die wichtigsten Vergleichsparameter sind der EQE des PL-Materials und die volle Photonenrate bei breiter Sonnenlichtanregung im Arbeitstemperaturbereich.
Aus der Vielzahl der getesteten Materialien ragen einige heraus. Die Studie konzentriert sich auf vier davon mit gewichtsprozentualen Zusammensetzungen von A = % Cr3+, B = % Nd3+, C = % Yb3+, die in YAG dotiert sind: ein (A = 0,5, B = 1, C = 1) SC und (A = 0. 5, B = 1, C = 1), (A = 3, B = 1, C = 1) und (A = 3, B = 1, C = 3) Keramik, nämlich SC#1, Keramik#2, Keramik#3 bzw. Keramik#4. Die Proben haben typischerweise eine breite Absorption bis 650 nm und mehrere schmale Absorptionslinien im nahen IR. Für jede Probe wurde eine Dicke gewählt, die etwa 60 % der gesamten Sonnenenergie bei Betriebstemperatur absorbiert (10 mm für SC#1, 1,6 mm für Keramik#2 und 2 mm für Keramik#3 und Keramik#4).
Was den Betrieb der PV-Zelle betrifft, so werden 45 % der zugänglichen solaren Photonenrate bei Wellenlängen kürzer als 1130 nm absorbiert.
Die Ergebnisse sind typisch für alle Proben. Die Proben absorbieren bei Wellenlängen bis zu 830 nm und emittieren zwischen 830 und 1130 nm (beobachtet als eine erhöhte Photonenrate über der Sonnenstrahlung). Die Messungen zeigen, dass eine EQE von 92 % bei Raumtemperatur auf 70 % bei 430 °C und auf weniger als 45 % bei 530 °C sinkt. Der PL-Absorber ist größtenteils transparent für Photonen bei Wellenlängen über 700 nm, die einen geringeren thermischen Anteil haben und weniger zur Wärme beitragen können. Im Geräteschema erreichen diese Photonen die PV-Zelle direkt, so dass der hohe Wirkungsgrad auch bei einem moderaten EQE erhalten bleibt.
Die Berechnung der erwarteten Leistung unter Verwendung unserer gemessenen Daten mit einer Grenzwellenlänge von 680 nm und einer EQE von 70 % bei einer Durchschnittstemperatur von 430 °C ergibt, dass 45 % der Leistung auf den thermischen Teil entfallen, wodurch 17,8 % Strom durch die Turbine erzeugt werden. Weitere 24,4 % werden von der Photovoltaikanlage geliefert, was zu einem Gesamtwirkungsgrad von 42,2 % führt.
Ein weiteres Merkmal der lumineszierenden
Solarenergie ist die Verringerung der Photonenrate bei steigender Temperatur.
Diese Eigenschaft kann für die bedarfsabhängige Verlagerung von Energie aus der
PV in den thermischen Speicher genutzt werden, ohne dass ein Gesamtverlust
entsteht. Diese Situation steht in starkem Kontrast zu den konventionellen
PV-CSP-Anlagen, deren Kapazität vorgegeben ist, was zu Überkapazitäten und
inhärenten Verlusten führt. Die Erhöhung der Durchschnittstemperatur von 430
auf 550 °C reduziert die Photonenrate von 90 auf 75 %, was den thermischen
Anteil um 23 % erhöht. Diese Temperaturerhöhung kann durch eine Verringerung der
Wärmeübertragungsflüssigkeit (HTF-Flusses) erreicht werden, wodurch sich der
Wärmekonvektionskoeffizient verringert. Dies wiederum erhöht die Temperatur des
PL-Absorbers, was die EQE und die Emission in Richtung PV reduziert. Das
Ergebnis ist eine Erhöhung sowohl der Wärmeübertragungsflüssigkeit-Austrittstemperatur
als auch des Wärmestroms.
Stromgestehungskosten.
Für eine umfassendere Betrachtung
der lumineszierenden Solarenergie (LSP) schätzen wir auch ihr Potenzial zur
Senkung der Stromgestehungskosten. Wir weisen darauf hin, dass die Schätzung
der Stromgestehungskosten für jedes neue Konzept eine Herausforderung
darstellt. Hier stützen wir uns auf die gut etablierten Stromgestehungskosten
von CSP mit jüngsten Angeboten von 7 ¢/kW h Stromgestehungskosten für CSP und
ein zusätzliches Heliostatfeld mit Stromgestehungskosten von 1,7 ¢/kW h. Zusätzliche
Kosten für die PV und den PL-Absorber fügen 0,23 ¢/kW h zu unserer Bewertung
hinzu, was mit dem relativ geringen Anteil der Kosten für den Receiver bei CSP
übereinstimmt. Die durchschnittlichen Gesamtbetriebskosten können geschätzt
werden, indem die Produktionskosten durch die gesamte Umwandlungsleistung
geteilt werden.
Es können durchschnittliche LCOE von 3,72 ¢/kW h erreicht werden. Jede zusätzliche Senkung der Stromgestehungskosten des CSP infolge einer Änderung einer Komponente, z. B. einer Turbine, eines Turms und des Solarfelds, wird einen ähnlichen Beitrag zum LSP leisten. Es wird erwartet, dass das CSP bis 2030 5 ¢/kW h erreichen wird, wodurch die Stromgestehungskosten des LSP auf unter 3 ¢/kW h sinken könnten.
Schlussfolgerungen.
Die Photolumineszenz (LSP) ist
die Technologie, welche die parallele Erzeugung von Strom aus PV-Zellen und aus
der Restwärme, die sonst verschwendet wird, ermöglicht. Die experimentellen
Ergebnisse zeigen, dass 90 % der solaren Photonenrate auf einer PV-Zelle
aufrechterhalten werden können, während der PL-Absorber bei einer
durchschnittlichen Temperatur von 430 °C bleibt. Dies führt zu einer
Stromerzeugung durch die PV und den Wärmekreislauf mit einem Gesamtwirkungsgrad
von 42,5 %. Darüber hinaus ermöglicht LSP einen dynamischen Wechsel von
PV-Strom zu (speicherbarem) thermischem Strom bei nahezu unverändertem
Gesamtwirkungsgrad, was ein klarer Vorteil gegenüber der heute vorgegebenen
Kapazität der aktuellen Solarkraftwerke ist. Eine Analyse der potenziellen
Senkung der Stromgestehungskosten auf der Grundlage der bekannten Stromgestehungskosten
von CSP und kam zu einem durchschnittlichen Stromgestehungskostenwert (Tag und
Nacht) von 3,72 ¢/kW h mit dem Potenzial, Werte unter 3 ¢/kW h zu erreichen.
Experimentelle Methode - Vollspektrums-Messungen.
Für die Messungen der spektralen
Photonenrate bei Temperaturen von 25 bis 600 °C wird jede Probe auf einer
temperaturgesteuerten Heizung (Thorlabs) in einer Integrationskugel (LabSphere
4″) platziert und durch konzentriertes Sonnenlicht angeregt. Das Sonnenlicht
wird von einem laborinternen Solarkonzentratorsystem aufgefangen, das mit einer
optischen Faser verbunden ist, die kollimiert und dann auf den PL-Absorber
fokussiert wird. Das Spektrum im Bereich von 300-800 nm wird mit einem
UV-VIS-Spektrometer (Ocean Optics Flame-S-UV-VIS) und das Spektrum im Bereich
von 660-1150 nm mit einem VIS-NIR-Monochromator (Andor Shamrock i303) mit einer
InGaAs-Kamera (Andor iDus) gemessen.
Bei Temperaturen über 300 °C wird die thermische Emission des Heizers separat gemessen und von den Emissionsmessungen abgezogen. Der gesamte Aufbau wird gegen eine Standard-Quarz-Wolfram-Halogen (QTH)-Kalibrierlampe (Newport) kalibriert. Die Oberflächentemperatur des Heizers wird während der EQE-Messungen gemessen. Die Temperatur der Probe in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizelements wird kalibriert, indem die Ober- und Unterflächentemperaturen der Probe in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizelements gemessen werden. Die Temperaturen werden mit Thermoelementen vom Typ k gemessen, die an ein Thermometer (Fluke) angeschlossen sind. Die angegebenen Temperaturen sind die durchschnittlichen Probentemperaturen, die anhand einer für jede Probe erstellten Kalibrierungskurve in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur des Heizgeräts berechnet wurden.