Nowy kompozyt typu hot-as-lava może zrewolucjonizować przystępność energii słonecznej

Zespół pod kierownictwem Purdue University zaprezentował nowy kompozyt słoneczny, który może znacząco poprawić skoncentrowane elektrownie słoneczne zarówno pod względem wydajności, jak i kosztów, zgodnie z nowym badaniem opublikowanym w Natura zeszły tydzień. Ta współpraca między Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison i Oak Ridge National Laboratory ma na celu zwiększenie obecnego wykorzystania energii słonecznej w USA, która utrzymuje się na poziomie poniżej 2 procent naszej produkcji energii elektrycznej. Jednak nowy materiał zespołu może zrewolucjonizować skoncentrowaną branżę energii słonecznej.

„Myślę, że jesteśmy blisko” - mówi profesor Purdue Kenneth Sandhage Odwrotność.

Kompozyt, wykonany z ameru węglika cyrkonu i wolframu, zalicza się do kategorii materiałów zwanych cermetami, znanych ze swojej zdolności do wytrzymywania wysokich temperatur i ciśnień. Popularyzowane po II wojnie światowej za użycie w silnikach odrzutowych, amerykańskie siły powietrzne (te, które ukuły ten termin) „cermety” stały się celem dla samolotów i rakiet kosmicznych. I wymiany bioder.

Zespół Purdue zwrócił uwagę na zalety cermetu i znalazł nowe środowisko wysokotemperaturowe do przetestowania: skoncentrowane elektrownie.

W przeciwieństwie do typowej fotowoltaicznej farmy słonecznej z pustymi panelami zainstalowanymi na farmach lub dachach, skoncentrowane elektrownie słoneczne to w zasadzie wielkoskalowa, dobrze przygotowana wersja płonących mrówek pod szkłem powiększającym. Rośliny te wykorzystują lustra lub soczewki do koncentrowania energii ze słońca. Zamiast martwych mrówek, przenosimy ciepło na stopione sole. Płyty wykonane ze stali nierdzewnej lub stopów na bazie niklu są wykorzystywane do przenoszenia ciepła z soli do płynu, który rozszerza się, aby obracać turbinę, która w końcu daje prąd. Purdue używał nadkrytycznego CO2 jako płynu, o którym mowa, czyli CO2 w tak wysokich temperaturach i ciśnieniach, że istnieje gdzieś pomiędzy cieczą lub gazem.

Ta technika zbierania ciepła ze słońca oznacza, że ​​skupiają się elektrownie skoncentrowane gorąco. Materiał płyt wykorzystywanych do przesyłania ciepła jest jednym wąskim gardłem w systemie - obecne stopy stali nierdzewnej lub niklu uderzają w pojemność około 550 stopni Celsjusza przed zmiękczeniem, nieco poniżej 100 stopni cieplejszej niż najgorętsza planeta w naszym Układzie Słonecznym, Wenus.

Po testach mechanicznych w Oak Ridge National Laboratory zespół odkrył, że nowy kompozyt pozwala nam iść jeszcze bardziej gorąco, do około 750 stopni Celsjusza, czyli po zimnej stronie lawy. Cermet firmy Purdue jest również dwa do trzech razy bardziej przewodzący niż obecny standard branżowy.

Ta różnica temperatur pozwala nie tylko osiągnąć upalny poziom ciepła, ale także zwiększyć ilość ciepła do konwersji energii elektrycznej o ponad 20 procent. Zwiększona wydajność nowego kompozytu ceramiczno-metalowego byłaby tańsza niż obecne materiały i mogłaby znacznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla.

Imponujący jak metale ceramiczne, zespół po raz pierwszy stanął w obliczu problemów z korozją, ponieważ nadkrytyczny CO2 utleniłby płyty, zmniejszając ich wydajność. Jednak opierając się na podstawowych koncepcjach chemicznych, odkryto, że dodanie warstwy miedzi do powierzchni płytek cermetowych i dodanie 50 części na milion tlenku węgla do nadkrytycznego CO2 łagodzi ten problem. Zespół złożył patent na nowy materiał.

Od 2018 roku skoncentrowane elektrownie słoneczne produkują rocznie około 1400 MW energii dla USA. Chociaż obecnie taniej jest zbierać światło słoneczne za pomocą tradycyjnej fotowoltaiki, akumulatory do ich magazynowania są drogie - w rzeczywistości gromadzenie ciepła jest tańsze, jak w przypadku skoncentrowanej energii słonecznej. Dzięki temu nowemu kompozytowi koszt zbierania ciepła spada. W połączeniu ze zdolnością do wypełnienia luki energetycznej prezentowanej przez energię słoneczną w nocy, sprawia to, że skoncentrowana energia słoneczna jest znacznie bardziej konkurencyjna.

„Myślę, że ekscytujący jest czas w inżynierii materiałowej” - komentuje Sandhage. „Mamy do czynienia z bardzo poważnymi problemami, ale jest to kwestia ciężkiej pracy inżynierskiej, aby wprowadzić odpowiednie materiały, wprowadzić odpowiedni projekt i wyeliminować problemy. Jesteśmy podekscytowani rolą, jaką możemy odgrywać. ”