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