Υλικό από νανοσωματίδια φέρνει καινοτομίες στην ηλιακή αγορά

Σε αντίθεση με τους ηλιακούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας που βασίζονται στα φωτοβολταϊκά (PV) και οι οποίες μετατρέπουν το φως απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, οι CSP χρησιμοποιούν γενικά το φως του ήλιου που συγκεντρώνεται σε ένα μικρό χώρο, για να παράγουν θερμότητα και να καθοδηγήσουν μια τουρμπίνας ατμού για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Επειδή αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής από ορυκτά καύσιμα, η τεχνολογία CSP έχει τη δυνατότητα να ενσωματωθεί στις υπάρχουσες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έτσι ώστε να γίνουν πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Η τεχνολογία έχει επίσης πλεονεκτήματα σε σχέση με φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, εξαιτίας της ικανότητάς της να παράγει ηλεκτρική ενέργεια 24 ώρες την ημέρα, αποθηκεύοντας τη θερμότητα που έχει συλληφθεί κατά τη διάρκεια της ημέρας σε θερμικές δεξαμενές.

Οι μονάδες CSP χρησιμοποιούν συνήθως μεγάλο αριθμό των κατόπτρων για να επικεντρωθεί το φως του ήλιου σε ένα πύργο ψεκασμού επικαλυμμένο με μαύρο υλικό βαφής που έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιήσει την απορρόφηση ηλιακού φωτός. Ωστόσο, το ότι υποβάλλεται σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες κάθε μέρα υποβαθμίζει το υλικό, που σημαίνει ότι τέτοιες μονάδες χρειάζονται συνήθως να κλείσουν μία φορά το χρόνο ή περισσότερο, έτσι ώστε να επιτραπεί στο υποβαθμισμένο φως-το απορροφητικό υλικό να απομακρυνθεί και να εφαρμοστεί μια νέα, «υγιής» επίστρωση.
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, το πρόγραμμα SunShot του τμήματος Ενέργειας του Υπουργείου Εξωτερικών των ΗΠΑ (DOEs) προκάλεσε ερευνητές του UCSD να αναπτύξουν ένα υλικό που είναι σε θέση να λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ό, τι τα υπάρχοντα υλικά και για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Με τη χρηματοδοτική υποστήριξη από το πρόγραμμα SunShot, μια διεπιστημονική ομάδα στο UCSD ανέπτυξε ένα υλικό που χρησιμοποιώντας σωματίδια που κυμαίνονται σε μέγεθος από 10 νανόμετρα έως 10 μικρόμετρα.

Όταν ψέκασαν με σπρέι πάνω σε ένα μεταλλικό υπόστρωμα για θερμικές και μηχανικές δοκιμές, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η «πολυεπίπεδη» επιφάνεια που σχημάτισαν αυτά τα σωματίδιαν είναι σε θέση να αντέχει όχι μόνο θερμοκρασίες άνω των 700 ° C (1292 ° F), αλλά επίσης και χρόνια έκθεσης στον αέρα και την υγρασία. Οι δομές είναι επίσης σε θέση να παγιδεύουν και να απορροφήσουν περίπου 90 έως 95% του φωτός, αφήνοντας λιγότερο από 30% του υπέρυθρου φωτός σε μία θερμοκρασία κοντά στην κορυφή, τους 500 ° C (932 ° F) διαφυγή ακτινοβολίας μέλανος σώματος.
Οι ερευνητές λένε ότι οι μονάδες CSP αντιπροσωπεύουν σήμερα περίπου 3,5 γιγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο, αλλά ότι ο αριθμός αυτός αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά με την κατασκευή μονάδων που θα παρέχουν έως και 20 GW στο εγγύς μέλλον. Το υλικό που αναπτύχθηκε στο UCSD θα μπορούσε να συμβάλει στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και μείωση του κόστους συντήρησης των μονάδων CSP, επιτυγχάνοντας κατά κάποιο τρόπο τον στόχο της πρωτοβουλίας SunShot, η οποία ξεκίνησε από τον τότε Υπουργό Ενέργειας Steven P. Chu το 2010 και έχει ως στόχο να κάνουν το κόστος της ηλιακής ενέργειας ανταγωνιστικό σε σχέση με άλλα μέσα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το 2020.