物质科学
Physical science
瑞士研究人员希望利用太阳能代替化石燃料来冶炼钢铁和制作水泥。研究人员使用合成石英捕获太阳能，实现了1000°C以上的温度，证明了该方法在为碳密集型工业提供清洁能源方面的潜在作用。2024年5月15日，相关概念验证研究以“Solar thermal trapping at 1,000°C and above”为题，发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。
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论文通讯作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的Emiliano Casati说：“为了应对气候变化，我们需要使能源脱碳。人们往往只把电看作能源，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，从汽车引擎到摩天大楼都离不开它们。然而，制造这些材料需要超过1000°C的温度，并且严重依赖化石燃料获取热量，相关行业能耗约占全球能耗的25%。为此，研究人员探索出一种使用太阳能接收器的清洁能源替代方案，这类接收器借助数千个太阳追踪镜产生热量。但它在1000°C以上很难有效地转移太阳能。
为了提高太阳能接收器的效率，Casati计划使用半透明材料，如石英，它可以捕获阳光，这种现象被称为热阱效应。该团队制作了一种热捕获装置，将合成石英棒连接到不透明的硅盘上作为能量吸收器。当将装置暴露在相当于来自136个太阳的光能量通量下时，吸收盘温度达到1050°C，而石英棒的另一端保持在600°C。
“以前的研究只成功地证明了热阱效应获得的温度能达170°C。”Casati说，“我们的研究表明，太阳能热捕获技术也能达到1000°C以上，这对于其在实际工业应用中的潜力至关重要。”
利用传热模型，研究小组还模拟了石英在不同条件下的热捕获效率。模型表明，它可以在较低的聚集度下达到相同的目标温度，或者在相同的聚集度下达到较高的热效率。例如，最新（无屏蔽）接收器在1200°C下的效率为40%，聚集度为500个太阳。300毫米石英屏蔽接收器在相同的温度和聚集度下可达到70%的效率。无屏蔽接收器需要至少1000个太阳才能达到类似的性能。
Casati和同事们正在优化热捕获效应，并研究该方法的新应用。而且，通过探索其他材料，如不同的流体和气体，他们希望达到更高的温度。研究小组还指出，这些半透明材料吸收光或辐射的能力并不局限于太阳辐射。
“能源是我们社会生存的基石。”Casati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。”
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研究成果发表在Cell Press细胞出版社旗下Device期刊上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Solar thermal trapping at 1,000°C and above
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624002357
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100399
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