編者按:最近,美國科學家研制出一種新型材料和制造工藝,即利用太陽能作為熱能,可以更有效地發(fā)電。
除了在陰天和夜間使用發(fā)電和電源存儲,太陽能發(fā)電是成本較低的一種能源方案,然而太陽能發(fā)電僅占美國電力來源的2%。美國普渡大學一個研究小組研制了一種新型材料和制造工藝,使利用太陽能(即熱能)發(fā)電的方法變得更加高效可行。
這一技術創(chuàng)新是太陽能發(fā)電與化石燃料發(fā)電直接抗衡的重要環(huán)節(jié),目前化石燃料發(fā)電占美國發(fā)電總量的60%以上。普渡大學材料工程系教授Kenneth Sandhage說:“以熱能的形式儲存太陽能,比以電池的方式儲存能量的成本更低,因此下一步是降低太陽能發(fā)電的成本,同時減少溫室氣體排放。”
這項研究是普渡大學與佐治亞理工學院、威斯康星大學麥迪遜分校和橡樹嶺國家實驗室合作完成的,發(fā)表在近期出版的《自然》雜志上。
太陽能的利用方式不僅是通過農場或者屋頂的太陽能板獲得熱能發(fā)電,人們還可以利用太陽熱能集中發(fā)電。集中式太陽能發(fā)電站通過使用鏡面或者透鏡將大量光線聚集在一個小區(qū)域,從而將太陽能轉化為電能,產生的熱量被轉移到熔鹽中。熔鹽的熱量隨后被轉移到一種“工作流體”——超臨界二氧化碳,該流體會膨脹,工作過程中使得渦輪機旋轉發(fā)電。
為了有效降低太陽能發(fā)電成本,渦輪發(fā)動機需要以同樣的熱量產生更多的電能,這意味著它運行時溫度更高。該過程的技術瓶頸是熱交換器,它是將熱熔鹽的熱量轉移到“工作流體”,目前熱交換器是由不銹鋼或者鎳合金材料制成,在理想高溫條件和超臨界二氧化碳高壓下,這些材料將變軟。
據了解,Kenneth Sandhage設計靈感來自于之前與同事制造的“合成材料”,該材料用作制造固體燃料火箭噴嘴,它可承受高溫高壓。目前,Kenneth Sandhage和來自麻省理工學院的Asegun Henry合作,設計一種類似的合成材料,制造更硬的熱交換器。
陶瓷碳化鋯和金屬鎢,這兩種材料結合為復雜材料可產生意想不到的效果。普渡大學研究人員制作了陶瓷金屬復合材料板材,基于佐治亞理工學院Devesh Ranjan帶領研究小組設計的模擬通道,顯示該復合材料板材可用于定制通道,實現熱量轉換。
橡樹嶺國家實驗室Edgar Lara-Curzio研究團隊對該復合材料進行了機械測試,威斯康星大學麥迪遜分校Mark Anderson研究團隊進行了腐蝕測試,這些測試表明,這種新型復合材料可定制化適應超臨界二氧化碳的高溫和高壓條件,從而比當前熱交換器更有效地產生電能。
佐治亞理工學院和普渡大學研究人員的一項分析表明,與不銹鋼或者鎳合金熱交換器相比,使用新型材料制造的熱交換器能以同等或者更低的成本實現規(guī)?;a制造。
Kenneth Sandhage表示,隨著技術不斷發(fā)展,該技術將從大規(guī)??稍偕柲芟螂娋W領域延伸滲透,這意味著電力生產中人類制造的二氧化碳排放量將大幅減少。
原標題:新型材料讓太陽能發(fā)電成本更低