新型材料讓太陽能發(fā)電成本更低

最新研究利用陶瓷金屬板在更高溫和更高壓條件下傳導熱量，從而提高太陽能發(fā)電效率。

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(shù)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(nóng)場或者屋頂?shù)奶柲馨瀚@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(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移到熔鹽中。熔鹽的熱量隨后被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生更多的電能，這意味著它運行時溫度更高。該過程的技術(shù)瓶頸是熱交換器，它是將熱熔鹽的熱量轉(zhuǎn)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(jù)了解，Kenneth Sandhage設(shè)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(shè)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(jié)合為復雜材料可產(chǎn)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(lǐng)研究小組設(shè)計的模擬通道，顯示該復合材料板材可用于定制通道，實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)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(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)制造。

Kenneth Sandhage表示，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，該技術(shù)將從大規(guī)?？稍偕柲芟螂娋W(wǎng)領(lǐng)域延伸滲透，這意味著電力生產(chǎn)中人類制造的二氧化碳排放量將大幅減少。