En Hot-as-Lava New Composite kunne revolutionere solenergi overkommelighed

Et team ledet af Purdue University afslørede en ny solkomposit, der kunne forbedre koncentrerede solkraftværker betydeligt i både effektivitet og omkostning, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i Natur sidste uge. Dette samarbejde mellem Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison og Oak Ridge National Laboratory håber at øge den nuværende anvendelse af solenergi i USA, som forbliver på mindre end 2 procent af vores elproduktion. Men holdets nye materiale kan revolutionere den koncentrerede solkraftindustri.

"Jeg synes, vi er tætsomt tætte", fortæller Purdue professor Kenneth Sandhage Inverse.

Kompositmaterialet, fremstillet af cer amic zirconiumcarbid og met al wolfram, falder ind under en kategori af materialer kaldet "cermets", kendt for deres evne til at modstå høje temperaturer og tryk. Populæriseret efter anden verdenskrig til deres brug i jetmotorer, har amerikanske luftvåben (dem, der har udtalt sig termen) "cermets" blevet en go-to for fly og rumraketter. Og hofte udskiftninger.

Purdue-teamet noterede sig cermets kvaliteter og fandt et nyt højtemperaturmiljø for at teste det ud: koncentrerede kraftværker.

I modsætning til en typisk fotovoltaisk solgård med tomgangspaneler installeret på gårde eller hustage er koncentreret solkraftværker stort set den omfattende, velmenende version af brændende myrer under et forstørrelsesglas. Disse planter bruger spejle eller linser til at koncentrere energi fra solen. I stedet for døde myrer får vi varme overført til smeltede salte. Plader lavet af rustfrit stål eller nikkelbaserede legeringer bruges til at overføre varmen fra salte til en væske, der udvider til at dreje en turbine, som til sidst giver dig elektricitet. Purdue brugte superkritisk CO2 som den pågældende væske, aka CO2 ved sådanne høje temperaturer og tryk, at det eksisterer et sted mellem en væske eller en gas.

Denne teknik til at indsamle varme fra solen betyder, at koncentrerede kraftværker får hed. Materialet i pladerne, der bruges til at overføre varme, er en flaskehals i systemet - det nuværende rustfrit stål eller nikkelbaserede legeringer rammer kapaciteten omkring 550 grader Celsius før blødgøring, lige under 100 grader varmere end den hotteste planet i vores solsystem, Venus.

Efter mekaniske tests ved Oak Ridge National Laboratory opdagede holdet, at den nye sammensætning gør os endnu varmere, til omkring 750 grader Celsius, som ligger på den lave side af lava. Purdues cermet er også to til tre gange så ledende som den nuværende industristandard.

Bortset fra at opnå brændende varme niveauer, tillader denne temperaturforskel en plante at øge sin varme til elkonvertering mere end 20 procent. Opskaleret ville den nyfinansierede effektivitet fra den keramiske metalkomposit være billigere end de nuværende materialer og kunne medvirke til drastisk reduktion af kuldioxidemissionerne.

Imponerende som keramiske metaller kan være, teamet konfronterede først med korrosion, da superkritisk CO2 ville oxidere pladerne og reducere deres produktivitet. Men på baggrund af grundlæggende kemiske begreber udtænkte det, at tilsætning af et kobberlag til overfladen af ​​cermetpladerne og tilsætning af 50 dele pr. Million carbonmonoxid til superkritisk CO2 mildrer problemet. Holdet har indgivet et patent for det nye materiale.

Fra 2018 producerer koncentreret solkraftværker ca. 1.400 MW energi til USA om året. Mens det i øjeblikket er billigere at høste sollys ved hjælp af traditionelle solceller, er batterierne til at opbevare det dyrt - det er faktisk billigere at opbevare varmen som gjort via koncentreret sol. Med denne nye sammensætning falder omkostningerne ved opsamling af varme. Kombineret med evnen til at hjælpe med at bygge bro over energikløften præsenteret af solen om natten, gør dette koncentreret sol meget mere konkurrencedygtig.

"Jeg synes, det er en spændende tid at være i materialeteknik," Sandhage kommentarer. "Der er meget alvorlige problemer, vi står over for, men det er et spørgsmål om at gøre det fornuftige hårde tekniske arbejde for at bringe de rigtige materialer i, bringe det rigtige design og fortsætte med at slå problemer ned. Vi er spændte på den rolle, vi kan spille."