Upload
quirijnfrederix
View
258
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Quirijn FrederixNiels Horsten
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Bijzondere toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
2
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Bijzondere toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
3
Zonnestraling
4
• Spectrale irradiantie niet constant door elliptische baan, fluctuaties in de zon
• Totaal vermogen per oppervlak van 1367 W/m²
• Stralingswet van Planck:zon ≈ zwarte straler op5777 K
Zonnestraling Ozon, waterdamp, CO2 enz. in atmosfeer zorgen voor reflectie, absorptie,
verstrooiing
Air mass (AM) :
• verhouding tussen optische weglengte die de straling aflegt en dikte van de atmosfeer
• Afhankelijk van lengtegraad
Voor wetenschappelijke toepassingen: AM1.5, met gemiddeld invallend vermogen per oppervlakte van 1000 W/m²
5
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Bijzondere toepassingen:
Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
6
Soorten CSP
7
Vermogentoren
Parabolische trog
Dish/Stirling
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Bijzondere toepassingen:
Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
8
Stirlingmotor Gas verlaat motor nooit
Externe warmtebron
Benadert Carnotrendement beter dan inwendige verbrandingsmotor
Rendement typisch tussen 30 en 40%
Trage dynamica
9
Stirlingmotor
10
Configuraties
Alfa Bèta Gamma
Stirlingmotor
11
Werking
Expansie Verplaatsing naar koude zijde
Stirlingmotor
12
Werking
Compressie Verplaatsing naarWarme zijde
Stirlingmotor
13
Thermodynamische cyclus
Stirlingmotor
14
Theoretisch rendement
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Bijzondere toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
15
Collectoren Absorptie in zonnespectrum zo hoog mogelijk
P = αAqzon
Emissie in thermisch (IR-) spectrum zo laag mogelijk
Wet van Stefan-Boltzmann: P = εσT4 A
Technisch en economisch haalbaar
16
Gebruik van materialen met nanostructuur om “Selective absorber” te verkijgen
Collectoren: Fe-Cr-Ni legering met elektrochemische behandeling Plaatje met Fe-Cr-Ni legering als elektrode en plaatje met
grafiet als andere elektrode
Elektroliet van Chroom- en zwavelzuur met molaire verhouding 1:1
Potentiaal van 1.2V in blokgolven van 20 minuten
17
Naaldstructuur zoals gezien met Atomic Force Microscope
Collectoren: Fe-Cr-Ni legering met elektrochemische behandeling Zeer hoge absorptie in het interval 300-1500nm
Naaldstructuur vormt laag met diëlektrische constante tussen lucht en bulkmateriaal
Licht wordt gevangen door meervoudige reflectie
18
Collectoren: Siliciumdioxide-koolstof composiet Glassubstraat wordt bedekt met sol-gel door middel van
spin-coating
Sol-gel: 2 gram gemethyleerde β-cyclodextrine opgelost in 3 gram waterig zoutzuur en 4 gram tetramethylorthosilaat
Poreuze siliciumdioxide matrix met poriën van 2 nmdiameter, gevuld met koolstofdeeltjes
19
Collectoren: Siliciumdioxide-koolstof composiet
20
Collectoren: Ni-nanoketens op Al2O3-cermet Reductie van Ni2+ met N2H4 zodat ketens van Ni-spheren
bekomen wordt met lengte van 2-3μm.
Ketens worden verspreid in Al2O3 door middel van spincoating
Berekening van optische eigenschappen door 3D finite element analyse van Maxwell-vergelijkingen
21
Collectoren: Ni-nanoketens op Al2O3-cermet Absorptie van verschillende polarisaties door ketens met
verschillende lengtes
Polarisatie in langsrichting: Absorptie neemt toe met toenemende lengte van keten
Polarisatie in dwarsrichting: Onafhankelijk van lengte
Totale absorptie is gemiddelde van beide door willekeurige oriëntatie van ketens
22
α300-2500nm = 0,93 ε2-20μm = 0,09
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Bijzondere toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
23
Rendement
24
Als de thermodynamische cyclus het Carnotrendement bereikt:
Rendement
25
Rendement
26
Rendement met theoretisch rendement Stirling cyclus
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Bijzondere toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
27
Recente technologieën: Lunar Surface Thermal Energy Storage Doelstellingen:
• 8 kW elektrisch vermogen
• 10 W/kg vermogendichtheid
• Levensduur: 10 000 à 150 000 uur
• Bestand tegen straling, stof en sterk variërende temperatuursomgeving
Voorstel:
• 4 modules van 2 kW
• Maakt gebruik van dag/nacht-cyclus (52 uur voor dag en 52 uur voor nacht)
28
Recente technologieën : Lunar Surface Thermal Energy Storage
HTTER en LTTER: H2- en O2-brandstoftanks
Gesinterd maanregoliet om warmte op te slagen
29
Recente technologieën : Lunar Surface Thermal Energy Storage
30
• Veronderstellingen:• Temperatuursval over
componenten = 10 K• Efficiëntie = 60%
Carnotrendement• qzon = 1367W /m² • W = 2440 W
Recente technologieën : Lunar Surface Thermal Energy Storage
256 kg per module
8 W/kg
31
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Bijzondere toepassingen:
Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
32
Recente technologieën
33
RSEP
Renewable Sustainable Expeditionary Power
Project van Office of Naval Research (ONR)
Hybride systeem
Continu elektrisch vermogen van 3 à 5 kW aan gereduceerd geluidsniveau
40% vermindering van brandstofverbruik
Minimaal gewicht en afmetingen
Maximaal 10% duurder dan huidig systeem
Recente technologieën: RSEP
34
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Bijzondere toepassingen:
Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
35
Economische analyse Grootste kost is investeringskost
Grootste probleem met hernieuwbare energie: concurrentie met reeds aanwezige goedkope en betrouwbare technologieën
Vergelijking tussen gedistribueerde energieopwekking met PV-cellen en gecentraliseerd dish/Stirling-systeem in Mojave woestijn voor stad in Californië
Met transmissieverliezen 130 MW
36
Economische analyse
37
PV vs. dish/Stirling
Economische analyse
38
PV
Klant spaart tussen $0.90 en $1.70 per watt uit
Economische analyse
5 200 stirlingmotoren van 25 kW elektrisch vermogen
Men spaart $0.08/kWh uit tijdens gebruik
1 044 000 000 kWh/jaar
2% inflatie en 10% rentevoet
Huidige waarde van $1 402 282 942 van besparingen
Internal rate of return van 20% voor risico’s investeerders
Huidige waarde van totale kost gedurende levensduur $574 743 551
NHW = $827 539 391 $6.37 per watt
39
Dish/Stirling
Inhoudsopgave Zonnestraling
Soorten CSP
Stirlingmotor
Collectoren
Rendement
Toepassingen: Lunar Surface Thermal Energy Storage
RSEP
Economische analyse
Besluit
40
Besluit Zonne-energie heeft groot potentieel
Thermische energie algemeen en stirlingmotoren specifiek hebben vele voordelen op verschillende vlakken (economisch, efficiëntie, stil,...)
Gunstige vooruitzichten door nieuwe vooruitgangen op vlak van collectoren
Belangrijke recente toepassingen die gebruik maken van dish/Stirling-systeem
41