Anwendung von Hochleistungskeramiken in solarthermischen Energiesystemen
Die Stromerzeugung durch Solarthermie ist eine saubere Energietechnologie, bei der Kollektoren zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärmeenergie verwendet werden, die dann in einem thermodynamischen Zyklus zur Stromerzeugung genutzt wird. Bestehende Solarstromsysteme weltweit können basierend auf der Betriebstemperatur grob in drei Kategorien eingeteilt werden: Parabolrinnensysteme, Turmsysteme und Parabolsysteme. Einige moderne Keramikmaterialien können für die Empfänger von Turm-Solarstromsystemen verwendet werden.
1. Funktionsprinzipien von solarthermischen Parabolrinnen-, Parabolschüssel- und Turmkraftwerken
Parabolrinnen-Solarthermie-Kraftwerk
Dieses System verwendet Parabolrinnenspiegel, um Sonnenlicht auf ein Empfängerrohr zu fokussieren und so das Arbeitsmedium zu erhitzen. Das erhitzte Medium erzeugt über einen Wärmetauscher Dampf, der dann eine Dampfturbine antreibt, die mit einem Generator verbunden ist und Strom erzeugt.
Geschirrspülmaschine
Auch als Parabolspiegelsystem bekannt, verwendet es einen parabolspiegelförmigen Spiegel, um das Sonnenlicht auf einen Empfänger im Brennpunkt zu konzentrieren. Strukturell ähnelt es einer großen parabolischen Radarantenne. Aufgrund des Punktfokus der Parabolspiegel kann das Konzentrationsverhältnis mehrere Hundert bis mehrere Tausend erreichen, was extrem hohe Temperaturen ermöglicht. Mehrere Spiegelsysteme können parallel geschaltet werden, um ein kleines Solarkraftwerk zur Deckung des Strombedarfs zu bilden.
Turmsystem
Dieses System wird auch als zentrales Empfängersystem bezeichnet und verwendet eine Reihe großer Spiegel (Heliostate), die am Boden installiert sind. Jeder Heliostat folgt der Sonne auf zwei Achsen und reflektiert und konzentriert das Sonnenlicht präzise auf einen Empfänger an der Spitze eines zentralen Turms. Die konzentrierte Sonnenenergie erhitzt das Arbeitsmedium im Empfänger und erzeugt überhitzten Dampf, der dann in das Stromsubsystem gelangt, um den Prozess der Umwandlung von Wärmeenergie abzuschließen.
2. In Solarstromsystemen einsetzbare Keramikmaterialien
Das solarthermische Turmkraftwerk wird wegen seines hohen Konzentrationsverhältnisses (200-1000 kW/m²), seiner hohen thermodynamischen Zyklustemperatur, seines geringen Wärmeverlusts, seiner einfachen Systemstruktur und seiner hohen Effizienz hoch geschätzt. Der Receiver, die Kernkomponente des solarthermischen Turmkraftwerks, muss Strahlungsintensitäten standhalten, die 200-300 Mal höher sind als die des natürlichen Sonnenlichts, und Betriebstemperaturen von über 1000 °C aufweisen. Daher ist seine Leistung für den stabilen Betrieb und die Effizienz des Stromerzeugungssystems von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Metallreceiver unterliegen Temperaturbeschränkungen, weshalb keramische Receivermaterialien einen neuen Forschungsschwerpunkt darstellen.
Aufgrund der ungleichmäßigen und instabilen Solarflussdichte werden an keramische Receivermaterialien folgende Anforderungen gestellt:
(1)Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
Das Material sollte in Arbeitsumgebungen mit hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum keinen oxidativen Schaden erleiden.
(2)Gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und Thermoschockbeständigkeit
Zur Vermeidung von Materialschäden durch thermische Hotspots.
(3)Hohe Absorptionsrate der Sonnenstrahlung
Um sicherzustellen, dass das Material die Sonnenenergie vollständig absorbieren kann.
(4)Dreidimensionale oder zweidimensionale verbundene Struktur
Gewährleistung einer hohen Durchlässigkeit, eines geringen Luftstromwiderstands und einer gleichmäßigen, stabilen Luftstromverteilung.
（5）Hohe spezifische Oberfläche
Bereitstellung einer großen Wärmeaustauschfläche, um einen ausreichenden Wärmeaustausch mit der Luft zu gewährleisten.
Als Receivermaterialien kommen folgende Keramikmaterialien in Frage:
Diese halten Temperaturen über 1000 °C stand, haben eine hohe mechanische Festigkeit und chemische Stabilität und sind säure- und laugenbeständig, weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit, Isolationsfestigkeit, Widerstandsfähigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Zu ihren Nachteilen gehören jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Absorptionsrate der Sonnenstrahlung, sodass eine Oberflächenbeschichtung erforderlich ist, um die Absorption der Sonnenstrahlung zu erhöhen. Bei Verwendung bei hohen Temperaturen können Substrat und Beschichtung reißen, und die mangelnde Stoßfestigkeit schränkt die praktische Anwendung ein.
(2) Cordierit-Keramik
Diese haben niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Wärmeschockbeständigkeit und große spezifische Oberflächen. Aufgrund der geringen Festigkeit sind jedoch Materialien wie Mullit undZirkoniawerden oft zugesetzt, um die Festigkeit zu verbessern.Aluminiumoxidkeramik, Cordieritkeramiken sind nur für Mitteltemperaturanwendungen geeignet.
Diese weisen eine hohe Festigkeit, eine große spezifische Oberfläche, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, gute Wärmedämmung, Wärmeschockbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit auf. Im Vergleich zu Aluminiumoxid- und Cordieritkeramiken weisen Siliziumkarbidkeramiken eine bessere Hochtemperaturleistung auf. Untersuchungen zeigen, dass gesinterte Siliziumkarbidempfänger Luftauslasstemperaturen von bis zu 1200 °C ohne Materialschäden erreichen können.
Aufgrund der technischen Kosten ist die Verwendung von Hochleistungskeramiken auf dem Solarmarkt noch nicht weit verbreitet. Mit technologischen Fortschritten, Produktaktualisierungen und verbesserter Produktionseffizienz werden jedoch Keramikprodukte, die effektiv und effizient zu Solarthermiesystemen passen, auf dem Markt weit verbreitet sein.
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