সূর্যের শক্তির দুটি পথ: সৌর হাইড্রোজেন উত্পাদন এবং ঘনীভূত সৌর শক্তি বোঝা

যদিও বেশিরভাগ ব্যক্তি সৌর বিদ্যুতের কথা ভাবেন যেমন ফোটোভোলটাইক প্যানেলের মাধ্যমে শক্তির জন্য সূর্যালোক ব্যবহার করে; শুধু ফটোভোলটাইক প্যানেলের চেয়ে সূর্যের মাধ্যমে আপনি মূল্য পেতে পারেন এমন আরও অনেক উপায় রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, আপনি সূর্যকে ব্যবহার করে পরিষ্কার হাইড্রোজেন জ্বালানি তৈরি করতে পারেন এবং তাপের মাধ্যমে ইউটিলিটি-স্কেল পাওয়ার তৈরি করতে পারেন। কিছু উত্তেজনাপূর্ণ নতুন প্রযুক্তি রয়েছে যা সৌর শক্তির উপর খামে চাপ দিচ্ছে: সৌর শক্তির উত্স থেকে হাইড্রোজেন এবং ঘনীভূত সৌর শক্তি (CSP)।

হাইড্রোজেন বিভিন্ন কারণে "আগামীকালের জ্বালানী" হিসাবে পরিচিত। হাইড্রোজেনে আনুমানিক 142 এমজে/কেজি শক্তি উপাদান রয়েছে এবং আপনি যদি একটি জ্বালানী কক্ষে হাইড্রোজেন ব্যবহার করেন তবে শুধুমাত্র জল দ্বারা উত্পাদিত নির্গমন হয়। যাইহোক, পরিষ্কারভাবে হাইড্রোজেন জ্বালানীর প্রচুর পরিমাণে উত্পাদন করা এখনও হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য একটি বড় চ্যালেঞ্জ। এই সমস্যাটি সমাধান করার একটি উপায় হল জলকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের উপায় হিসাবে বিভক্ত করার জন্য সূর্যালোক ব্যবহার করা, এই প্রক্রিয়াটি শূন্য গ্রীনহাউস গ্যাস নির্গমন করে।

সৌর শক্তি থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের তিনটি প্রধান প্রকার রয়েছে যা বর্তমানে বিভিন্ন পরিপক্কতার স্তরে রয়েছে:

প্রথম প্রযুক্তি (সবচেয়ে পরিপক্ক) ইলেক্ট্রোলাইজারের সাথে মিলিত ফটোভোলটাইক (পিভি) প্যানেল ব্যবহার করে। ইলেক্ট্রোলাইজার হল বৈদ্যুতিক ডিভাইস যা বিদ্যুৎ নেয় এবং তাপ এবং তাপ স্থানান্তর ব্যবহার করে জলকে হাইড্রোজেন এবং অক্সিজেনে রূপান্তর করে। PV সিস্টেমগুলি সবচেয়ে উন্নত এবং সহজলভ্য; PV সিস্টেম খুব মডুলার এবং নির্ভরযোগ্য; যখন PV এবং ইলেক্ট্রোলাইজার কোনো পাওয়ার কনভার্সন ডিভাইস ছাড়াই সংযুক্ত থাকে, তখন সমগ্র সিস্টেমের STH রূপান্তর দক্ষতা তাত্ত্বিক সীমার কাছাকাছি চলে যায়।

গবেষণা দেখায় যে ঘনীভূত পিভি সিস্টেমগুলি উল্লেখযোগ্যভাবে প্রচলিত সিস্টেমগুলিকে ছাড়িয়ে যায়। 750 সূর্যের ঘনত্বের অধীনে InGaP/GaAs/Ge কোষ ব্যবহার করে, বিজ্ঞানীরা মডিউল এলাকার প্রতি বর্গমিটার প্রতি মিনিটে 0.8-1.0 লিটার হাইড্রোজেন উৎপাদন হারের সাথে 18-21% STH দক্ষতা অর্জন করেছেন। একটি সূর্যের নীচে প্রচলিত সিলিকন মডিউলগুলি, তুলনা করে, প্রায় 0.3 L/min·m² উৎপাদন হারের সাথে মাত্র 9.4% STH দক্ষতা অর্জন করেছে। এটি ঘনীভূত সিস্টেমের জন্য 1.5 থেকে 3 বার পারফরম্যান্স সুবিধার প্রতিনিধিত্ব করে।

জল ইলেক্ট্রোলাইসিস 70-80% এর মধ্যে একটি কার্যকর পরিসীমা ব্যবহার করে, ভবিষ্যতে পুনর্নবীকরণযোগ্য বিদ্যুতের দাম বিবেচনা করার সময় এই বিকল্পটিকে আরও আকর্ষণীয় করে তোলে। এই মুহূর্তে একমাত্র বড় চ্যালেঞ্জ হল ইলেক্ট্রোলাইজারের উচ্চ মূল্য এবং সৌর বিকিরণের অপ্রত্যাশিততা, যার ফলে সিস্টেমে সাবধানে একীকরণের প্রয়োজন।

ফটো ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল (পিইসি) সিস্টেমগুলি প্রথমে বৈদ্যুতিক শক্তি তৈরি করে এবং তারপর জল থেকে হাইড্রোজেন তৈরির জন্য সেই শক্তিকে ব্যবহার করে জলের তড়িৎ বিশ্লেষণের জন্য পূর্ববর্তী পদ্ধতির চেয়ে আরও সমন্বিত পদ্ধতি ব্যবহার করে। পিইসিগুলি জলে নিমজ্জিত অর্ধপরিবাহী পদার্থগুলি ব্যবহার করে, যা সূর্য থেকে আলো শোষণ করতে এবং জলের তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমে হাইড্রোজেনের আকারে রাসায়নিকভাবে শক্তি সঞ্চয় করতে সরাসরি রূপান্তর করতে সক্ষম। এটি ঘটে যখন আলো অর্ধপরিবাহীকে আঘাত করে ইলেকট্রন/গর্তের জোড়া তৈরি করে। সেমিকন্ডাক্টর মেকানিজমের ইলেকট্রন হাইড্রোজেন গঠনের জন্য প্রোটন কমিয়ে দেয়; তৈরি করা গর্তগুলি অক্সিজেন উত্পাদনকারী জলের অণুগুলিকে জারিত করবে।

পিইসিগুলি প্রায় 50 বছর আগে শিনিচিরো ফুজিশিমা এবং হোন্ডা দ্বারা প্রথম গবেষণা করা হয়েছিল যখন তারা দেখেছিল যে একটি টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড (TiO2) ইলেক্ট্রোড H2O কে H2 এবং O2 তে বিভক্ত করতে পারে যখন একটি প্লাটিনাম ক্যাথোড/খাদ দিয়ে মিলিত হয় এবং UV আলোতে আলোকিত হয়। (এটিকে "হোন্ডা-ফুজিশিমা প্রভাব" বলা হয়)

বর্তমানে, PEC সিস্টেমগুলির একটি সহজ এবং মার্জিত প্রক্রিয়ার মাধ্যমে সরাসরি সৌর-থেকে-হাইড্রোজেন রূপান্তর অর্জন করার ক্ষমতা সহ একটি আকর্ষণীয়, কমপ্যাক্ট ডিজাইন রয়েছে। এই ইতিবাচক নকশা বৈশিষ্ট্য থাকা সত্ত্বেও, PEC প্রযুক্তি এখনও তার আপেক্ষিক প্রাথমিক অবস্থায় রয়েছে এবং বাণিজ্যিকীকরণ ঘটার আগে কিছু উল্লেখযোগ্য চ্যালেঞ্জ অতিক্রম করতে হবে, যেমন তাদের সৌর-থেকে-হাইড্রোজেন রূপান্তরে কম দক্ষতা, PEC কোষ তৈরি করতে ব্যবহৃত উপকরণের অবক্ষয়, এবং কর্মক্ষমতার মাপযোগ্যতা। এইভাবে, চলমান গবেষণা এই সমস্যাগুলি সমাধান করার জন্য ডিজাইন করা উন্নত উপকরণ এবং ন্যানোস্ট্রাকচার্ড ফটোইলেকট্রোডগুলিতে পরিচালিত হচ্ছে।

এটি করার আরও সৃজনশীল উপায়গুলির মধ্যে একটি হল ন্যানোস্কেল আকারের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি (এটিকে কোয়ান্টাম ডটও বলা হয়) ফটোক্যাটালিস্ট হিসাবে জলীয় মাধ্যমে ছড়িয়ে দেওয়া। সূর্যালোকের সাথে আলোকিত হওয়ার পরে তারা ইলেকট্রন (এবং ছিদ্র) তৈরি করে যা কণার ইন্টারফেসে স্থানান্তর করতে পারে এবং যথাক্রমে হাইড্রোজেন বিবর্তন এবং অক্সিজেন বিবর্তন হিসাবে উল্লেখ করা সংশ্লিষ্ট অক্সিডেশন এবং হ্রাস অর্ধেক প্রতিক্রিয়া শুরু করতে পারে।

একক কণা ফটোক্যাটালিস্ট সিস্টেম, বা এক-পদক্ষেপের উত্তেজনা সিস্টেমের জন্য প্রয়োজন যে সেমিকন্ডাক্টরের ব্যান্ডগ্যাপ হাইড্রোজেন বিবর্তন সম্ভাবনা এবং অক্সিজেন বিবর্তন সম্ভাবনা উভয়ই স্ট্র্যাডল করে। এছাড়াও একটি দুই-অংশের ফটোক্যাটালিস্ট সিস্টেম বা "Z-স্কিম" ফটোক্যাটালিস্ট কনফিগারেশন রয়েছে যেখানে দুটি ভিন্ন ফটোক্যাটালিস্ট একটি রাসায়নিক মধ্যস্থতাকারী (অর্থাৎ রেডক্স কাপল) দ্বারা একসঙ্গে বাঁধা থাকে যাতে দুটি স্বতন্ত্র ধাপে বা অর্ধেক বিক্রিয়ায় জল বিভাজন ঘটে। এটি প্রতিটি প্রতিক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয় শক্তিকে উল্লেখযোগ্যভাবে কমিয়ে দেয়, যখন দৃশ্যমান আলোর একটি বৃহত্তর বৈচিত্র্যকে ব্যবহার করার অনুমতি দেয়।

সাম্প্রতিক অগ্রগতি এই পদ্ধতির সম্ভাব্যতা প্রদর্শন করে। ইনস্টিটিউট অফ মেটাল রিসার্চ-এ লিউ গ্যাং-এর নেতৃত্বে একটি চীনা গবেষণা দল টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড-প্রধান ফটোক্যাটালাইটিক উপাদান-কে "স্ট্রাকচারাল রিশেপিং" এবং "এলিমেন্ট প্রতিস্থাপন" এর মাধ্যমে স্ক্যান্ডিয়াম যোগ করে উন্নত করেছে। স্ক্যান্ডিয়াম আয়নগুলি উপাদানের জালিতে মসৃণভাবে ফিট করে, "ট্র্যাপ জোন" অপসারণ করে যা সাধারণত ইলেকট্রনকে আটকে রাখে এবং "ইলেক্ট্রনিক হাইওয়ে" গঠনের জন্য স্ফটিক পৃষ্ঠকে পুনরায় আকার দেয় যা চার্জ বাহককে দক্ষতার সাথে পরিচালনা করে।

উন্নত উপাদানটি অতিবেগুনী আলোর 30% এর বেশি ব্যবহার করে এবং পূর্ববর্তী সংস্করণগুলির তুলনায় 15 গুণ বেশি সিমুলেটেড সূর্যালোকের অধীনে একটি হাইড্রোজেন উৎপাদন হার অর্জন করে। গবেষণা দলের মতে, একটি-বর্গ-মিটার ফটোক্যাটালিটিক প্যানেল সূর্যের আলোতে প্রতিদিন প্রায় 10 লিটার হাইড্রোজেন তৈরি করতে পারে।

যদিও কণা ফটোক্যাটালাইসিস পরীক্ষাগারে রয়ে গেছে, বড় আকারে স্থাপনের জন্য এর সম্ভাব্যতা বাধ্যতামূলক। পাউডার-ফরম ফটোক্যাটালিস্টগুলি হ্যান্ডেল করা সহজ এবং PV-ইলেক্ট্রোলাইসিস বা পিইসি সিস্টেমের তুলনায় সম্ভাব্য সস্তা প্রক্রিয়া ব্যবহার করে বড় এলাকায় ছড়িয়ে দেওয়ার জন্য আরও উপযুক্ত।

কেন্দ্রীভূত সৌর শক্তি (CSP) সূর্যকে ব্যবহার করার জন্য একটি মৌলিকভাবে ভিন্ন পদ্ধতি গ্রহণ করে। আলোকে সরাসরি বিদ্যুতে রূপান্তরিত করার পরিবর্তে, CSP সূর্যালোককে ঘনীভূত করতে, উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ উৎপন্ন করতে এবং তারপর বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য প্রচলিত টারবাইনগুলি চালাতে আয়না ব্যবহার করে।

মৌলিক ধারণা খুবই সহজবোধ্য। হেলিওস্ট্যাট, বা আয়নার বিন্যাস, সূর্যের প্রতিদিনের গতিপথ অনুসরণ করে এবং একটি টাওয়ারের শীর্ষে অবস্থিত একটি সংগ্রাহকের কাছে সূর্যের রশ্মি প্রতিফলিত করে। সূর্যালোকের এই ঘনত্ব একটি কর্মক্ষম তরলকে খুব উচ্চ তাপমাত্রায় গরম করতে ব্যবহার করা হয় এবং একবার তাপ উৎপন্ন হলে, উত্তপ্ত কার্যকারী তরলটি বাষ্প তৈরিতে ব্যবহৃত হয় যা জেনারেটর চালিত একটি টারবাইনকে ঘোরাতে পারে।

একটি CSP সিস্টেমের মধ্যে তাপ শক্তি সঞ্চয়স্থান অন্তর্ভুক্ত করার ক্ষমতা এই ধরনের মূল্য CSP তৈরি করে। সূর্যের রশ্মিকে কেন্দ্রীভূত করার প্রক্রিয়ার মাধ্যমে উৎপন্ন তাপকে ধরে রাখা যায় এবং ঘন্টার জন্য সংরক্ষণ করা যায়, অর্থাৎ সূর্যাস্তের অনেক পরে সিএসপি সিস্টেম থেকে বিদ্যুৎ উৎপাদন ঘটতে পারে। CSP-এর প্রেরণযোগ্য দিক-অর্থাৎ, যখন আপনার বিদ্যুতের প্রয়োজন হয় তখন আপনি এটি তৈরি করতে পারেন-এটিই CSP কে PV সোলার সিস্টেম থেকে আলাদা করে, যা রাতে বা মেঘ হতে শুরু করলে বিদ্যুৎ উৎপাদন করা বন্ধ করে দেয়।

বর্তমানে পিরামিডের শীর্ষে প্রাপ্ত প্রযুক্তি (স্পেনের জেমাসোলার, নেভাদার ক্রিসেন্ট টিউনস এবং নুর III) বৈশিষ্ট্যযুক্ত তরল গলিত লবণ শুধুমাত্র তাপ স্থানান্তর করার জন্য নয়, শক্তি সঞ্চয় করার জন্যও ব্যবহৃত হচ্ছে। তিনটি সিস্টেমই তরল গলিত লবণের সাথে 15 ঘন্টার বেশি শক্তি সঞ্চয় করার সময় পূর্ণ 24 ঘন্টা অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করার ক্ষমতা সফলভাবে প্রদর্শন করেছে।

ইউএস ডিপার্টমেন্ট অফ এনার্জি এর কনসেনট্রেটেড সোলার পাওয়ার জেনারেশন 3 (CSP Gen3) প্রোগ্রাম এই প্রযুক্তিকে বিদ্যমান বাণিজ্যিক স্তরের CSP সিস্টেমের বাইরে এগিয়ে নিয়ে যাবে। CSP Gen3 প্রোগ্রামের অধীনে অন্বেষণ করা নকশা পদ্ধতিগুলির মধ্যে একটি হল "তরল পথ" সিস্টেম, যা শক্তি সঞ্চয় হিসাবে তুলনামূলকভাবে কম-মূল্যের তরল ক্লোরাইড ব্যবহার করে এবং সুপারক্রিটিক্যাল কার্বন ডাই অক্সাইড (sCO2) শক্তিতে তাপ স্থানান্তর করার জন্য প্রায় 740oC এ একটি তরল সোডিয়াম রিসিভার ব্যবহার করে৷ পুরো sCO2 পাওয়ার সাইকেলটি প্রথাগত বাষ্প র‍্যাঙ্কাইন টাইপ সাইকেলের তুলনায় উচ্চ দক্ষতায় কাজ করবে।

এটি বর্তমান উদ্ভিদ থেকে একটি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতির প্রতিনিধিত্ব করে, যা সাধারণত নাইট্রেট লবণ ব্যবহার করে প্রায় 565 ডিগ্রিতে কাজ করে। উচ্চতর অপারেটিং তাপমাত্রা অধিক কার্যক্ষমতা সক্ষম করে এবং শক্তির সমতলিত খরচ কমিয়ে দেয়-Gen3 লক্ষ্য প্রতি মেগাওয়াট-ঘণ্টায় $60 এর নিচে।

একটি দুটি-ট্যাঙ্কের গলিত লবণ সিস্টেম অপারেটরদেরকে সৌর রিসিভারের মাধ্যমে চার্জ করার জন্য ("গরম" ট্যাঙ্ক গরম করা) এবং তারপর যখন স্রাবের প্রয়োজন হয় তখন তাপ এক্সচেঞ্জারের মাধ্যমে বাষ্প তৈরি করতে দেয়। সঞ্চয়স্থানের তাপ দক্ষতা উচ্চ-অন্তরক ট্যাঙ্কে তাপ সঞ্চয় করা দৈনিক চক্রের জন্য 90% কার্যকারিতা অতিক্রম করে।

বিদ্যুৎ সঞ্চয়ের জন্য রাউন্ড ট্রিপ-দক্ষতা, তবে, একটি মৌলিক সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হয়৷ স্টিম টারবাইনের মাধ্যমে তাপকে বিদ্যুতে রূপান্তর করা সাধারণত মাত্র 35-42% তাপ দক্ষতা অর্জন করে। এমনকি উন্নত সুপারক্রিটিক্যাল CO2 টারবাইন 50% অতিক্রম করতে সংগ্রাম করে। তুলনার জন্য, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি নিয়মিতভাবে 85% রাউন্ড-ট্রিপ দক্ষতা অতিক্রম করে।

এই দক্ষতার জরিমানা মানে CSP এমন অ্যাপ্লিকেশনের জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত যেখানে তাপীয় স্টোরেজের মান-দীর্ঘ সময়কাল, কম খরচ প্রতি কিলোওয়াট-ঘণ্টা স্টোরেজ, এবং সিঙ্ক্রোনাস জেনারেশন দেওয়ার ক্ষমতা-রূপান্তর ক্ষতির চেয়ে বেশি। গ্রিড-স্কেল স্টোরেজ 6-12 ঘন্টা স্থায়ী হওয়ার জন্য, অর্থনীতি এখনও কাজ করতে পারে।

বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তির উত্সগুলির বিকাশ, শিল্প প্রক্রিয়াগুলির ডিকার্বনাইজেশনে সিএসপির অবদান এবং তাপীয় স্টোরেজ তৈরির সমস্ত কিছুই সিএসপিগুলিকে কেবল বিদ্যুতের বাইরেও পরিষেবা সরবরাহ করার অনুমতি দিয়েছে। অনেক শিল্প প্রক্রিয়ার জন্য 300 থেকে 550 ডিগ্রী সেলসিয়াস তাপমাত্রার সীমার মধ্যে বাষ্প বা সরাসরি তাপের চাহিদা অনুযায়ী ক্রমাগত সরবরাহ প্রয়োজন, যার মধ্যে রয়েছে কাগজ তৈরি, তেল পরিশোধন এবং রাসায়নিক প্রক্রিয়াকরণের মতো প্রক্রিয়া।

খুব বড়-স্কেল গলিত লবণ তাপ শক্তি সঞ্চয় করার সিস্টেম ব্যবহার করে, CSPs বাস্তব সময়ে প্রয়োজনীয় শিল্প অ্যাপ্লিকেশনের জন্য প্রক্রিয়া বাষ্প এবং/অথবা সুপারহিট বায়ু সরবরাহ করে এই লক্ষ্য অর্জন করতে পারে। এই গলিত-লবণ থার্মাল এনার্জি স্টোরেজ সিস্টেমগুলির বৃহৎ ক্ষমতাও ব্যবহারযোগ্য তাপ শক্তি সঞ্চয়স্থানের প্রতি কিলোওয়াট-ঘণ্টা (kWh) এর চেয়ে কম $35 খরচ সহ ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ব্যাটারির জন্য একটি অত্যন্ত ব্যয়বহুল-কার্যকর বিকল্প অফার করে৷

সৌর হাইড্রোজেন উৎপাদন এবং ঘনীভূত সৌর শক্তি (CSP) সহ সূর্যের শক্তি ব্যবহার করার জন্য পরিপূরক পদ্ধতি রয়েছে। সূর্যের শক্তি ফটোভোলটাইক (PV) ইলেক্ট্রোলাইসিস এবং ফটোক্যাটালিটিক সিস্টেমের মাধ্যমে রাসায়নিক জ্বালানীতে (হাইড্রোজেন) রূপান্তরিত হয় যা অনির্দিষ্টকালের জন্য সংরক্ষণ করা যায়। হাইড্রোজেন পরিবহন, শিল্প এবং বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে। বিকল্পভাবে, CSP তাপ উৎপন্ন করতে সূর্যালোক ব্যবহার করে। CSP তারপর প্রেরণযোগ্য (শৃঙ্খলভাবে) বিতরণের জন্য সেই তাপ শক্তিকে বিদ্যুতে রূপান্তর করে।

উভয় প্রযুক্তিতে দ্রুত অগ্রগতি ঘটছে। উন্নত উপকরণ এবং সিস্টেম ইন্টিগ্রেশনের ফলে সৌর-থেকে-হাইড্রোজেন রূপান্তর দক্ষতা বৃদ্ধি পায়; CSP উচ্চতর অপারেটিং তাপমাত্রা এবং কম খরচের জন্য চাপ দিতে থাকে। একত্রিত হলে, পিভি ইলেক্ট্রোলাইসিস এবং সিএসপি একটি সৌরশক্তি চালিত বিশ্বের জন্য অনুমতি দেয় যেখানে শুধুমাত্র সূর্য প্রয়োজনের সময় শক্তি সরবরাহ করে না বরং সারা দিন বন্ধ-সময়ে শক্তি সরবরাহ করার জন্য একটি সহজে-সংরক্ষিত জ্বালানীও তৈরি করে।

পৃথিবী সূর্য থেকে প্রচুর শক্তির যোগান পায়। এটি প্রায় 173 ট্রিলিয়ন ওয়াটের সমতুল্য (1 ট্রিলিয়ন=1,000,000,000,000) প্রতি সেকেন্ডে পৃথিবীতে আঘাত করছে। প্রকৌশলীদের জন্য চ্যালেঞ্জ এবং সুযোগের মধ্যে রয়েছে সূর্য থেকে শক্তির এই বিশাল সরবরাহ ক্যাপচার করার জন্য একাধিক মোড ব্যবহার করার উপায় খুঁজে বের করা।