Aplicação de Cerâmica Avançada em Sistemas de Energia Solar Térmica
A geração de energia solar térmica é uma tecnologia de energia limpa que utiliza coletores para converter a radiação solar em energia térmica, que é então utilizada para gerar eletricidade por meio de um ciclo termodinâmico. Os sistemas de energia solar existentes em todo o mundo podem ser amplamente classificados em três categorias com base na temperatura operacional: sistemas de calha parabólica, sistemas de torre e sistemas de antena parabólica. Alguns materiais cerâmicos avançados podem ser aplicados aos receptores de sistemas de energia solar térmica em torre.
1、Princípios de operação de sistemas de energia solar térmica de calha, prato e torre parabólica
Sistema de energia solar térmica de calha parabólica
Este sistema usa espelhos parabólicos para focar a luz solar em um tubo receptor, aquecendo o fluido de trabalho. O fluido aquecido gera vapor através de um trocador de calor, que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador, produzindo eletricidade.
Sistema de Prato
Também conhecido como sistema de prato parabólico, ele utiliza um espelho parabólico em forma de prato para concentrar a luz solar em um receptor no ponto focal. Estruturalmente, assemelha-se a uma grande antena de radar parabólica. Devido ao foco pontual da antena parabólica, a taxa de concentração pode atingir várias centenas a vários milhares, permitindo temperaturas extremamente altas. Vários sistemas de antenas podem ser conectados em paralelo para formar uma pequena usina de energia solar para atender às demandas de eletricidade.
Sistema de torre
Também conhecido como sistema receptor central, utiliza um conjunto de grandes espelhos (helióstatos) instalados no solo. Cada helióstato rastreia o sol em dois eixos, refletindo e concentrando com precisão a luz solar em um receptor no topo de uma torre central. A energia solar concentrada aquece o fluido de trabalho no receptor, gerando vapor superaquecido, que então entra no subsistema de energia para completar o processo de conversão de energia térmica.
2、Materiais cerâmicos aplicáveis em sistemas de energia solar
O sistema de energia solar térmica em torre é altamente considerado por sua alta taxa de concentração (200-1000 kW/m²), alta temperatura de ciclo termodinâmico, baixa perda de calor, estrutura de sistema simples e alta eficiência. O receptor, sendo o componente principal do sistema de energia solar térmica da torre, precisa suportar intensidades de radiação 200-300 vezes maiores que a da luz solar natural, com temperaturas operacionais superiores a 1000°C. Portanto, seu desempenho é crucial para a operação estável e eficiência do sistema de geração de energia. Os receptores metálicos tradicionais têm limitações de temperatura, tornando os materiais receptores cerâmicos um novo foco de pesquisa.
Devido à densidade de fluxo solar irregular e instável, os seguintes requisitos são impostos aos materiais receptores cerâmicos:
(1)Resistência à oxidação em alta temperatura
O material não deve sofrer danos oxidativos em ambientes de trabalho de alta temperatura a longo prazo.
(2)Boas propriedades mecânicas de alta temperatura e resistência ao choque térmico
Para evitar danos materiais causados por pontos térmicos.
(3)Alta taxa de absorção de radiação solar
Para garantir que o material possa absorver totalmente a energia solar.
(4)Estrutura conectada tridimensional ou bidimensional
Garantindo alta permeabilidade, baixa resistência ao fluxo de ar e distribuição uniforme e estável do fluxo de ar.
（5）Alta área de superfície específica
Fornecendo uma grande área de troca de calor para garantir troca de calor suficiente com o ar.
Os seguintes materiais cerâmicos podem ser usados como materiais receptores:
Estes podem suportar temperaturas acima de 1000°C, possuem alta resistência mecânica e estabilidade química, e são resistentes a ácidos e álcalis, com boa condutividade térmica, resistência de isolamento, resistividade e resistência ao desgaste. No entanto, as suas desvantagens incluem baixa condutividade térmica e taxa de absorção de radiação solar, necessitando de um revestimento superficial para aumentar a absorção de radiação solar. Durante o uso em altas temperaturas, o substrato e o revestimento podem rachar e a baixa resistência ao choque limita a aplicação prática.
（2） Cerâmica Cordierita
Estes têm baixos coeficientes de expansão térmica, boa resistência ao choque térmico e grandes áreas de superfície específicas. No entanto, devido à baixa resistência, materiais como mulita ezircôniasão frequentemente adicionados para melhorar a força. Comocerâmica de alumina, a cerâmica de cordierita é adequada apenas para aplicações de média temperatura.
(3)Cerâmica de Carboneto de Silício
Eles apresentam alta resistência, grande área de superfície específica, resistência à corrosão, resistência à oxidação, bom isolamento térmico, resistência ao choque térmico e resistência a altas temperaturas. Em comparação com as cerâmicas de alumina e cordierita, as cerâmicas de carboneto de silício têm melhor desempenho em altas temperaturas. Pesquisas indicam que os receptores de carboneto de silício sinterizado podem atingir temperaturas de saída de ar de até 1.200°C sem danos materiais.
A cerâmica avançada ainda não foi amplamente implantada no mercado solar devido aos custos técnicos. No entanto, com os avanços tecnológicos, atualizações de produtos e maior eficiência de produção, produtos cerâmicos que correspondam de forma eficaz e eficiente aos sistemas de energia térmica solar serão amplamente introduzidos no mercado.
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