Nature：新材料、新制造工艺可提高太阳能发电效率

科学家们研发出一种新材料和新制造工艺，这让太阳能作为热能能够更高效地发电。

来源：Raymond Hassan，来自普渡大学

在最近一项研究中，研究人员让陶瓷金属板在更高的温度和更高的压力下传热，从而提高了太阳能发电效率。

美国发电总量中太阳能发电占比不到2%，但如果在阴天和夜间使用太阳能的发电和能源储存成本更低，其发电占比或许会超过2%。

一个由普渡大学领导的研发团队研发出一种新材料新制造工艺，这让太阳能作为热能发电更为高效。

这一创新是太阳能热发电与化石燃料直接竞争的重要一步。化石燃料在美国的发电量占总发电量的60%以上。

普渡大学材料工程系教授Kenneth Sandhage说：“以热能的形式储存太阳能比以电池的方式储存能源成本更低，所以下一步就是降低太阳能发电成本，附加收益是温室气体零排放。”

这项研究是由普渡大学与乔治亚理工学院、威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室合作完成的，其研究结果发表在期刊《自然》上。

这项研究与普渡大学的盛大庆典，一同作为普渡大学150周年校庆的一部分，以彰显该大学在全球经济和地球可持续发展方面取得的进步。这是庆典创意节的四个主题之一，其时间跨度长达一年，这旨在表明普渡大学是解决现实世界问题的智力中心。

太阳能发电不只是通过农场或屋顶的电池板发电。另一种选择是使用集中式太阳能发电厂。

集中式太阳能发电厂通过使用镜子或透镜将大量光线集中到一个小区域，从而将太阳能转化为电能，这个小区域产生的热量被转移到熔盐中。熔融盐的热量随后被转移到一种流体——超临界二氧化碳中，这种流体会膨胀并使涡轮机高速旋转从而发电。

为了降低太阳能发电成本，涡轮发动机需要以同样的热量产生更多电力，这意味着发动机温度需要更高。

问题是，热交换器是将热熔融盐的热量传递到工作流体的，目前是由不锈钢或镍基合金制成，在理想的高温和超临界二氧化碳高压下会变得太软。

Sandhage的灵感来自于他所在团队之前合成的材料，这种材料可应用于固体燃料火箭喷嘴等高温高压条件运行的设备。

Sandhage与来自麻省理工学院的Asegun Henry一同合作设计出一种类似的复合材料，这种复合材料可应用于强度更高的热交换器。

陶瓷碳化锆和金属钨这两种复合材料，显示出了良好的应用前景。

普渡大学的研究人员制作了陶瓷金属复合材料板。根据Devesh Ranjan团队在佐治亚理工学院进行的通道模拟：这些板上有可用于调整热量交换的定制通道。

来自橡树岭国家实验室的Edgar Lara-Curzio团队进行了机械测试，而来自威斯康辛-麦迪逊的Mark Anderson团队进行了腐蚀测试，这些测试证明了这种新型复合材料能够成功适应更高温度、高压超临界二氧化碳的条件，而这些二氧化碳是发电所需的，比现在的热交换器效率更高。

乔治亚理工大学和普渡大学的研究人员进行的一项经济分析还表明：这些热交换器的扩大生产，其成本可与不锈钢或镍合金基换热器相当或成本更低。

Sandhage说：“最终，随着可持续发展，这项技术将允许可再生能源——太阳能向电网大规模渗透。这意味着电力生产中人类制造的二氧化碳排放量将大幅减少。”