‌清除太阳能转换为电能的储能障碍：仿真助力太阳能新能源利用

全球致力于到2050年实现净零排放目标，在此过程中，可再生能源预计将发挥关键作用，而太阳能堪称备选方案中的主力军，其主要原因是太阳能在任何气候条件下都能实现低成本发电。

但是，在依靠太阳能帮助实现国际商定的脱碳目标之前——暂不提支持未来25年内增长三倍的能源消耗（据美国能源信息署（EIA）的预测），必须满足以下两点要求：全球范围内的太阳能应用需要实现大幅增长，并且，发电和储能技术需要取得显著发展。

具体而言，全球亟需克服可持续性、公共事业规模的储存技术匮乏的问题，这是阻碍太阳能普及应用的一大因素。 

澳大利亚可再生能源公司RayGen已经针对该问题采取了行动，在维多利亚州Carwarp附近开发了据称是世界上最大规模的长期能源储存项目。该项目使用1,200个被称为定日镜的立式聚光镜来实现太阳光线追迹，通过高性能太阳能光伏（PV）模块发电，然后将副产品热能储存在一个足有四个奥林匹克游泳池大小的水坑中。热能随后被转换为可供调度的电能。该项目旨在提供4兆瓦（MW）的太阳能发电和50兆瓦时（MWh）的储能，通过一个2.8兆瓦的有机朗肯循环（ORC）发动机按需发电，以供应给澳大利亚最大的公共事业公司AGL Energy。

RayGen使用Ansys仿真软件对其发电厂的多个单元进行建模，包括定日镜、用于捕获聚光太阳能的接收器以及储存系统的组件。他们与Ansys澳大利亚和新西兰精英渠道合作伙伴LEAP Australia展开合作，通过Ansys初创公司计划访问Ansys Fluent、Ansys Mechanical和Ansys Zemax OpticStudio。

为电网供电，不分昼夜

可能您已经听说过，评论家认为太阳能只有在阳光明媚的时候才能发挥作用，他们的担心不无道理。虽然房主和企业可以通过大型昂贵的电池来储存太阳能转换后的电能，这些电池可以在没有日光时提供电力，但对于更大型的太阳能阵列（比如接入电网的太阳能农场）来说，有效且低成本的储能方式少之甚少。

由于没有足够的储存容量，许多电网在中午时会过载，导致服务提供商需要限制太阳能发电。一旦太阳落山或天空变阴，电池板上出现阴影时，电力公司就必须恢复采用传统的发电方法。因此，缺乏足够的太阳能储能装置以供夜间使用（此时的用电需求通常处于最高峰），仍然是太阳能技术无法得到大规模应用的主要限制之一。

不过，RayGen最终可能可以清除这一障碍。

作为加速向可再生能源过渡的努力的一部分，这家位于墨尔本的公司开发了一种改进的太阳能发电方法——他们表示，这种方法可以全天候为电网供电，即使在不利的天气条件下也是如此。

他们的技术基于“坑式热能储存”的概念，这一技术源自RayGen借鉴欧洲的区域供热网络，其中，丹麦等国家在夏季使用太阳能为大片水域提供热能，而在冬季，公共事业公司通过区域供暖网络实现热水循环，为人们带来温暖。

 RayGen战略项目主管Kira Rundel表示：“这是我们的应用中采用的一项成熟技术。它支持长时间地储存热水，并且损耗极小。因此，我们可以将90°C的水储存数天、数周、甚至数月之久，在六个月的时间里，我们只损耗了大约5%到10%的热能。这是一种极其高效的储能方式。”

追随太阳

位于RayGen总部西北方向、约六小时车程的一个牧羊场，是该公司旗舰项目的所在地，该项目为新一代太阳能发电厂和电热能储存（ETES）系统。通过将RayGen所称的“光伏超级系统”与基于水的储存系统相结合，该公司在其业内率先成功创建了支持全太阳能发电和储存的高效设施。

光伏超级系统是一个大的定日镜场，可将阳光集中到单个高容量的接收器上。定日镜经过校准，可追踪太阳在天空中的位置，并将尽可能多的太阳能重定向到接收器。该接收器位于定日镜场上方的塔顶上，借助数百个高性能III-V砷化镓（GaAs）太阳能模块来捕获聚光太阳能，在聚光太阳能下，这些模块产生的功率比传统硅光伏电池板的大约高两千倍。这种配置使光伏超级系统将捕获的能量转换为电能和热能，效率高达90%。

RayGen通过在太阳能模块内部循环运行的冷却水捕获热能——其强度之高，足以熔化钢铁。水在达到95°C左右的温度时离开太阳能电池，并被储存在一个巨大的隔热水坑中，它能够储存高达千兆瓦时（GWh）的能量。

与此同时，光伏超级系统产生的一部分电能会被分流，以便对热坑旁边的第二个水坑中的水进行冷却。通过在冷热水坑之间保持90°C的温差，RayGen太阳能发电厂能够为ORC发动机提供动力，该发动机采用与地热发电厂相同的方式，产生并直接向接入的电网按需提供能源。该系统的循环效率为70-80%，而成本不到基于电池的储存系统的一半。

从仿真到获得成功

开发一个像RayGen太阳能发电厂这样复杂的系统，意味着要将一切因素考虑在内，从电子和流体力学到地球和太阳的运动。尽管出色的工程师有可能利用手中的纸笔和脑中的专业知识来设计这样的设施，但如果没有数字仿真的帮助，这将是一项极为耗时、艰巨无比、而且成本高昂的任务。

而通过采用Ansys解决方案，RayGen工程师找到了一种更快的方法。

光学仿真

考虑到太阳光线会从不同的角度到达地球，并且光线强度在一整年的每一天都会发生变化，RayGen转而使用OpticStudio，以确保定日镜始终向接收器最大限度地提供光和热能。如果没有Zemax中的数值建模，想要确定每个定日镜场的最佳设计简直难于登天。

据RayGen的机械工程师Thomas Evans估计，“Ansys仿真为我们节省了数月的设计时间和大量工时。此外，在开始任何建造工作之前，无需在多个原型和测试阶段上花费大量资金，我们即可确信，我们在光学和机械方面都朝着正确的方向稳步前进。”

OpticStudio的光学仿真和分析功能使RayGen工程师能够运行数千次仿真，从而比较调整多个变量的影响，比如，定日镜阵列的大小、间距和曲率，以及它与接收器的距离和单个反射镜的角度。通过将太阳能数据与这些仿真相结合，RayGen工程师能够计算出整个阵列的最佳布局，以及随着时间的推移保持每个定日镜最佳方位所需的自动化。

此外，光学仿真也在接收器的设计中发挥了重要作用。在接收器的四个侧面，各有一个用于扩大接收器孔径的通量调节器，以捕获来自定日镜的任何杂散光，并将其反射回内部的太阳能模块。通过将这一因素纳入系统的设计参数，RayGen工程师能够确保接收器最大限度地获得聚光太阳能——比太阳本身高1000倍。

结构仿真

无论严寒酷暑、刮风下雨还是干燥无风，定日镜都必须全年运行，这意味着其材料性能必须能够承受相当大的气候变化。与此同时，为了使光伏超级系统获得成功并成为一种切实可行、可复制的能源解决方案，全球将需要许多定日镜，因此其还必须具备良好的经济性。功能性、适应性和单位成本都是选择材料时的驱动因素。

RayGen工程师使用Mechanical分析最坏情况下的结构载荷，并获得了最终的定日镜设计，该设计仅需要极少的钢材，但可以承受恶劣的天气，同时不会影响或失去其对接收器的支撑。

计算流体力学仿真

在Fluent的帮助下，RayGen工程师完成了热流体储能系统多个方面的开发工作，该系统包括两个配备盖子的隔热水坑——分别装满了热水和冷水。Fluent计算流体力学（CFD）模型对流经太阳能模块后面的铜管冷却系统的水流进行了优化，使其保持在可接受的工作温度。由此产生的热水随后被输送到热水储存坑。

此外，仿真还使工程师能够在热流体系统热水储水坑的入口和出口处设计大型圆形扩散器。扩散器用于通过扩散进水的方式来维持水坑内的变温层，从而保持水柱的温度分层边界，这对储存坑的正常运作至关重要。

RayGen产品开发经理Derek Scott表示：“我们必须以非常均匀和低速的方式将水扩散到坑中，这样热水和冷水就不会混合在一起，也不会破坏热分层。我们使用Ansys Fluent来确定扩散器的最佳设计，以防止混合。我们不需要温度均匀的‘热’水坑；我们的流程需要使用非常热和非常冷的水。”

在计算出这些扩散器所需的尺寸以创建初始数字模型后，RayGen工程师使用Fluent来确定其入口端口的最佳直径和间距，并对其内部挡板和流动滤网的设计进行了微调。在对该组件的许多设计变量进行仿真后，最终设计能够实现理想而且匀速的水流，从而消除较早的扩散器模型产生的湍流和回流。

可再生能源的光明未来

RayGen设想在澳大利亚以及最终在全球其他地区建立类似的太阳能+储能发电厂，该公司在Carwarp的试验场——包含四个定日镜场和接收器塔（每台可产生1兆瓦的太阳能），号称迄今为止最大规模的长期储能项目。RayGen还已经宣布启动继该发电厂之后更大规模的项目。在南澳大利亚某地，该公司计划建造一个数百兆瓦量级的发电厂，由涡轮发电和千兆瓦时的储能提供强大后盾。  

进一步了解Ansys仿真解决方案如何支持安全可靠地过渡到更低碳的能源结构，从而以更具可持续性的方式满足全球不断快速增长的电力需求。