Вместо сжигания ископаемого топлива для достижения высоких температур, необходимых для выплавки стали и производства цемента, швейцарские ученые предлагают использовать солнечное тепло. В исследовании, подтверждающем эту концепцию, применяется синтетический кварц для улавливания солнечной энергии при температурах свыше 1000°C (1832°F), что показывает потенциал этого метода для обеспечения чистой энергией углеродоемких отраслей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Device.
Ведущий автор исследования Эмилиано Казати из ETH Zurich, отмечает:
Чтобы справиться с изменением климата, нам необходимо обезуглероживать энергетику в целом. Люди часто воспринимают энергию только как электричество, но на самом деле около половины всей энергии используется в виде тепла.
Производство стекла, стали, цемента и керамики требует высоких температур и зависит от сжигания ископаемого топлива. Эти отрасли потребляют около 25% мировой энергии. Исследователи изучили альтернативу в виде экологически чистой энергии, используя солнечные приемники, которые концентрируют и выделяют тепло с помощью зеркал, следящих за солнцем. Однако эта технология имеет сложности с эффективной передачей энергии при температурах выше 1000°C.
Для повышения эффективности солнечных приемников Казати обратился к полупрозрачным материалам, таким как кварц, которые могут улавливать солнечный свет, создавая эффект тепловой ловушки. Команда разработала устройство для улавливания тепла, прикрепив стержень из синтетического кварца к кремниевому диску, который служит поглотителем энергии. При воздействии потока энергии, эквивалентного свету от 136 солнц, температура поглотительной пластины достигла 1050°C (1922°F), в то время как на другом конце кварцевого стержня температура оставалась 600°C (1112°F).
Предыдущие исследования демонстрировали эффект тепловой ловушки лишь до 170°C (338°F). Наше исследование показало, что улавливание солнечной тепловой энергии работает не только при низких температурах, но и значительно выше 1000°C. Это крайне важно для демонстрации потенциала этой технологии в промышленном применении.
Используя модель теплопередачи, команда смоделировала эффективность теплового улавливания кварца в различных условиях. Модель показала, что термическое улавливание достигает целевой температуры при более низких концентрациях с той же производительностью или при более высокой термической эффективности при равной концентрации. Например, современный приемник имеет эффективность 40% при 1200°C и концентрации 500 солнц. Приемник, экранированный кварцем толщиной 300 мм, достигает эффективности 70% при тех же условиях. Неэкранированный приемник требует концентрации не менее 1000 солнц для аналогичных характеристик.
Казати и его коллеги продолжают оптимизировать эффект тепловой ловушки и исследовать новые применения метода. Их исследования показывают многообещающие результаты. Эксперименты с другими материалами, такими как различные жидкости и газы, позволили достичь еще более высоких температур. Команда также отметила, что способность полупрозрачных материалов поглощать свет или радиацию не ограничивается солнечной энергией.
