Горячий, как лава, новый композит может революционизировать доступность солнечной энергии

Команда, возглавляемая Университетом Пердью, представила новый солнечный композит, который мог бы значительно улучшить концентрированные солнечные электростанции как по эффективности, так и по стоимости, согласно новому исследованию, опубликованному в Природа прошлая неделя. Это сотрудничество между Технологическим институтом Джорджии, Университетом Висконсин-Мэдисон и Национальной лабораторией Ок-Риджа рассчитывает увеличить текущее использование солнечной энергии в США, которое составляет менее 2 процентов от нашего производства электроэнергии. Но новый материал команды может произвести революцию в концентрированной солнечной энергетике.

«Я думаю, что мы невероятно близки», - говорит профессор Пердью Кеннет Сэндхейдж. обратный.

Композит, изготовленный из цер аминового карбида циркония и мет ал вольфрама, подпадает под категорию материалов, называемых «керметами», известными своей способностью противостоять высоким температурам и давлению. Популярная после Второй мировой войны для использования в реактивных двигателях, ВВС США (те, кто придумал термин) «керметы» стали популярными для самолетов и космических ракет. И тазобедренные суставы.

Команда Purdue приняла к сведению качества металлокерамики и нашла новую высокотемпературную среду для тестирования: концентрированные электростанции.

В отличие от типичной фотоэлектрической солнечной фермы с неработающими панелями, установленными на фермах или крышах домов, концентрированные солнечные электростанции в основном представляют собой крупномасштабную, благонамеренную версию сжигания муравьев под увеличительным стеклом. Эти растения используют зеркала или линзы для концентрации энергии солнца. Вместо мертвых муравьев мы получаем тепло, передаваемое расплавленным солям. Пластины из нержавеющей стали или сплавов на основе никеля используются для передачи тепла от солей в жидкость, которая расширяется, вращая турбину, которая, наконец, дает вам электричество. Пердью использовал сверхкритический СО2 в качестве рассматриваемой жидкости, то есть СО2 при таких высоких температурах и давлениях, что он существует где-то между жидкостью или газом.

Эта техника сбора тепла от солнца означает, что концентрированные электростанции получают горячей, Материал пластин, используемых для передачи тепла, является одним узким местом в системе - нынешняя нержавеющая сталь или сплавы на основе никеля достигают емкости около 550 градусов по Цельсию, а затем размягчаются, чуть менее чем на 100 градусов горячее, чем самая горячая планета в нашей солнечной системе, Венера.

После механических испытаний в Национальной лаборатории Ок-Риджа, команда обнаружила, что новый композит позволяет нам нагреваться до температуры около 750 градусов по Цельсию, которая находится на прохладной стороне лавы. Кермет Purdue также в два-три раза более проводящий, чем текущий отраслевой стандарт.

Помимо достижения палящих уровней тепла, эта разность температур позволяет установке повышать преобразование тепла в электричество более чем на 20 процентов. В увеличенном масштабе эффективность нового использования металлокерамического композита будет дешевле, чем у существующих материалов, и может значительно сократить выбросы углекислого газа.

Впечатляя керамические металлы, команда сначала столкнулась с проблемами коррозии, поскольку сверхкритический CO2 будет окислять пластины, снижая их производительность. Но, опираясь на фундаментальные концепции химии, выяснилось, что добавление слоя меди к поверхности металлокерамических пластин и добавление 50 частей на миллион монооксида углерода к сверхкритическому СО2 смягчает проблему. Команда подала патент на новый материал.

По состоянию на 2018 год концентрированные солнечные электростанции вырабатывают для США около 1400 МВт энергии в год. В то время как в настоящее время дешевле собирать солнечный свет с использованием традиционных фотоэлектрических батарей, аккумуляторы для его хранения дороги - на самом деле дешевле хранить тепло, как это делается с помощью концентрированного солнечного света. С этим новым композитом стоимость сбора тепла падает. В сочетании со способностью помочь преодолеть разрыв энергии, представляемый солнечной энергией в ночное время, это делает концентрированную солнечную энергию намного более конкурентоспособной.

«Я думаю, что это захватывающее время для разработки материалов», - комментирует Сандхейдж. «Есть очень серьезные проблемы, с которыми мы сталкиваемся, но это дело делать упорную тяжелую работу техники, чтобы принести в нужных материалах, привести в правильном дизайне, и держать сбивая проблемы. Мы взволнованы той ролью, которую мы можем сыграть ».