研究人员展示了1922华氏度的太阳辐射热捕获

随着世界关注电力和交通脱碳，减少工业过程热量的排放仍然是房间里的大象。使用太阳能是一种有吸引力的替代方案，但当需要高于1,000 摄氏度(1,832 华氏度)的过程温度时，当前的太阳能转换器表现出较差的性能和较高的成本。在一项新的研究中，苏黎世联邦理工学院的科学家们展示了通过将常见的半透明材料(例如石英和水)暴露在太阳辐射下而触发的热阱效应如何通过抑制高温下的辐射损失来提高太阳能接收器的可行性。他们在 1,050 摄氏度(1,922 华氏度)的工业相关温度下通过实验证明了这种效应。

“为了应对气候变化，我们需要总体上实现能源脱碳，”苏黎世联邦理工学院研究员埃米利亚诺·卡萨蒂博士说。

“人们往往只将电视为能源，但事实上，大约一半的能源是以热的形式使用的。”

玻璃、钢铁、水泥和陶瓷是现代文明的核心，对于建造从汽车发动机到摩天大楼的一切都至关重要。

然而，制造这些材料需要超过 1,000 摄氏度的温度，并且严重依赖燃烧化石燃料来获取热量。这些行业约占全球能源消耗的25%。

研究人员探索了一种使用太阳能接收器的清洁能源替代方案，该接收器通过数千个太阳跟踪镜聚集并产生热量。

然而，这项技术很难在1000摄氏度以上有效地传输太阳能。

为了提高太阳能接收器的效率，卡萨蒂博士和他的同事们转向使用石英等半透明材料，这种材料可以捕获阳光，这种现象称为热阱效应。

研究人员通过将合成石英棒连接到不透明硅盘上作为能量吸收器，制作了一种热捕获装置。

当他们将该装置暴露在相当于 136 个太阳光的能量通量下时，吸收板达到 1,050 摄氏度，而石英棒的另一端仍保持在 600 摄氏度(1,112 华氏度)。

“之前的研究仅成功证明了温度高达 170 摄氏度(338 华氏度)时的热阱效应，”卡萨蒂博士说。

“我们的研究表明，太阳能热捕获不仅在低温下起作用，而且在远高于 1000 摄氏度的温度下也起作用。这对于展示其在现实世界工业应用中的潜力至关重要。”

科学家们还利用传热模型模拟了不同条件下石英的热捕获效率。

该模型表明，热捕集可以在较低浓度下实现相同性能的目标温度，或者在相同浓度下以更高的热效率实现目标温度。

例如，最先进的(无屏蔽)接收器在 1,200 摄氏度(2,192 华氏度)、集中度为 500 个太阳光时的效率为 40%。

用 300 mm 石英屏蔽的接收器在相同温度和浓度下可实现 70% 的效率。

未屏蔽的接收器需要至少 1,000 个太阳的聚光才能达到相当的性能。

作者现在正在优化热捕获效应并研究该方法的新应用。到目前为止，他们的研究很有希望。

通过探索其他材料，例如不同的流体和气体，他们能够达到更高的温度。

他们还指出，这些半透明材料吸收光或辐射的能力不仅限于太阳辐射。

“能源问题是我们社会生存的基石，”卡萨蒂博士说。

“太阳能很容易获得，而且技术已经存在。”

“为了真正推动行业采用，我们需要大规模展示这项技术的经济可行性和优势。”

该团队的工作今天在线发表在《Device》杂志上。