編者按:最近,美國(guó)科學(xué)家研制出一種新型材料和制造工藝,即利用太陽(yáng)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(chǔ),太陽(yáng)能發(fā)電是成本較低的一種能源方案,然而太陽(yáng)能發(fā)電僅占美國(guó)電力來(lái)源的2%。美國(guó)普渡大學(xué)一個(gè)研究小組研制了一種新型材料和制造工藝,使利用太陽(yáng)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(yáng)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(guó)發(fā)電總量的60%以上。普渡大學(xué)材料工程系教授Kenneth Sandhage說(shuō):“以熱能的形式儲(chǔ)存太陽(yáng)能,比以電池的方式儲(chǔ)存能量的成本更低,因此下一步是降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本,同時(shí)減少溫室氣體排放。”
這項(xiàng)研究是普渡大學(xué)與佐治亞理工學(xué)院、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作完成的,發(fā)表在近期出版的《自然》雜志上。
太陽(yáng)能的利用方式不僅是通過(guò)農(nóng)場(chǎng)或者屋頂?shù)奶?yáng)能板獲得熱能發(fā)電,人們還可以利用太陽(yáng)熱能集中發(fā)電。集中式太陽(yáng)能發(fā)電站通過(guò)使用鏡面或者透鏡將大量光線聚集在一個(gè)小區(qū)域,從而將太陽(yáng)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(huì)膨脹,工作過(guò)程中使得渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。
為了有效降低太陽(yáng)能發(fā)電成本,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要以同樣的熱量產(chǎn)生更多的電能,這意味著它運(yùn)行時(shí)溫度更高。該過(guò)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(jì)靈感來(lái)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(lái)自麻省理工學(xué)院的Asegun Henry合作,設(shè)計(jì)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(fù)雜材料可產(chǎn)生意想不到的效果。普渡大學(xué)研究人員制作了陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料板材,基于佐治亞理工學(xué)院Devesh Ranjan帶領(lǐng)研究小組設(shè)計(jì)的模擬通道,顯示該復(fù)合材料板材可用于定制通道,實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)換。
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Edgar Lara-Curzio研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試,威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Mark Anderson研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了腐蝕測(cè)試,這些測(cè)試表明,這種新型復(fù)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(dāng)前熱交換器更有效地產(chǎn)生電能。
佐治亞理工學(xué)院和普渡大學(xué)研究人員的一項(xiàng)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(shí)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?yáng)能向電網(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。
原標(biāo)題:新型材料讓太陽(yáng)能發(fā)電成本更低