Nowatorskie selektywne powłoki poprawią wydajność technologii wykorzystujących skoncentrowaną energię słoneczną
Historia kolektorów słonecznych, które pozwalają na wykorzystanie mocy Słońca sięga czasów starożytnych – już przeszło 2 000 lat temu grecki naukowiec Archimedes użył odbitego światła słonecznego w celu podpalenia rzymskich okrętów. Nowoczesne systemy oparte na skoncentrowanej energii słonecznej wytwarzają ciepło wykorzystując lustra, które pozwalają na skupianie w jednym miejscu światła słonecznego padającego na dużą powierzchnię. Następnie uzyskane w ten sposób ciepło jest wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Dzięki zastosowaniu zbiorników magazynowych, wytwarzanie energii może być utrzymywane na stałym poziomie przez cały dzień. Wieże kontra rynny Technologie oparte na skoncentrowanej energii słonecznej opierają się na szeregu rozwiązań, wśród których można wyróżnić rynny paraboliczne oraz wieże słoneczne. Te pierwsze stanowią jednowymiarowe systemy skupiające energię słoneczną, które ogniskują padające na nie promienie Słońca przy pomocy działających w jednej osi luster śledzących ruch gwiazdy. Wieże słoneczne stanowią natomiast kolektory trójwymiarowe – wykorzystywany w ich konstrukcji układ dwuosiowych odbłyśników pozwala na uzyskanie optymalnego poziomu energii słonecznej, ponieważ dzięki zastosowaniu tego rozwiązania mogą śledzić Słońce zarówno w płaszczyźnie horyzontalnej, jak i wertykalnej. Skutkiem tego „wieże są dużo bardziej wydajne niż rynny, ponieważ osiągany przez nie współczynnik skupienia może być nawet dziesięciokrotnie wyższy”. Zastosowanie wież słonecznych umożliwia uzyskanie temperatur roboczych znacząco przekraczających wartości występujące w przypadku rynien parabolicznych. Wciąż jednak do rozwiązania pozostaje szereg wyzwań technologicznych, a jednym z nich jest brak dobrych materiałów absorbujących, które są w stanie wytrzymywać temperatury przekraczające 550°C w dłuższej perspektywie czasowej”, zauważa dr Matthias Krause, koordynator projektu FRIENDS2 wspieranego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. Kontrolowanie właściwości promieniowania powierzchni Selektywne powłoki wielowarstwowe pozwalają na zwiększanie temperatury pracy oraz wydajności kolektorów słonecznych dzięki przekształcaniu dużej części padających na nie promieni słonecznych w ciepło oraz minimalizowanie emisji promieniowania cieplnego w spektrum podczerwieni. „Opracowane materiały charakteryzujące się wysokim współczynnikiem odblaskowości w przypadku fal o większej długości – na przykład promieniowania podczerwonego – pozwalają odbiornikom zatrzymywać całe pochłaniane ciepło”, wyjaśnia dr Krause. Naukowcy przeprowadzili trwające przez przeszło 35 dni cykliczne testy niektórych selektywnych powłok wielowarstwowych w środowisku laboratoryjnym, w czasie których były one wystawiane na działanie temperatury wynoszącej 600°C. W przypadku jednej z opracowanych powłok wysoka temperatura nie wpłynęła w żaden sposób na stabilność jej właściwości, co stanowi przełom względem wykorzystywanych obecnie w systemach skoncentrowanej energii słonecznej łatwo degradujących materiałów. Zapytany o kolejne kluczowe osiągnięcie projektu, dr Krause wspomniał o uniwersalnej zasadzie nadawania selektywności słonecznej powierzchniom, które stanowią dobre pochłaniacze energii, jednak nie oferują selektywności. Wykonane w tym zakresie prace odnoszą się do znanej zasady działania szklanek termicznych. „Dodanie domieszki tantalu do tlenku cyny znacząco zwiększa jego przewodzenie i pozwala na zastosowanie go w roli selektywnej warstwy przewodzącej do pokrywania kolektorów słonecznych. Takie rozwiązanie wykazało się sprawnością mechaniczną i termiczną w bardzo wysokich temperaturach – w warunkach bardzo wysokiej próżni materiał zachował stabilność do temperatury 800°C”, zauważa dr Krause. Dotychczas najczęściej wykorzystywanym materiałem był tlenek cynowo-indowy, pomimo tego, że ind należy do drogich materiałów, natomiast sam tlenek charakteryzuje się niską stabilnością w wysokich temperaturach. Budowanie selektywnych systemów kolektorów słonecznych wykorzystujących stabilne powłoki, które są w stanie wytrzymać wysokie temperatury jest kluczowe dla zwiększania popularności wydajnych elektrowni słonecznych opartych na skoncentrowanej energii Słońca, w których występują takie temperatury. Przed wprowadzeniem nowych powłok na rynek konieczne jest jeszcze przeprowadzenie dodatkowych prac. Jednym z największych wyzwań, którym muszą stawić czoła naukowcy, jest umożliwienie kolektorom słonecznym absorbowanie dużych ilości światła słonecznego przy jednoczesnym obniżaniu strat wynikających z promieniowania cieplnego.
Słowa kluczowe
FRIENDS2, temperatura, powłoka, kolektor słoneczny, skoncentrowana energia słoneczna, trwałość, wieża słoneczna, rynna paraboliczna, selektywna powłoka wielowarstwowa
