Application des céramiques avancées dans les systèmes d'énergie solaire thermique
La production d’énergie solaire thermique est une technologie d’énergie propre qui utilise des collecteurs pour convertir le rayonnement solaire en énergie thermique, qui est ensuite utilisée pour produire de l’électricité selon un cycle thermodynamique. Les systèmes d'énergie solaire existants dans le monde peuvent être globalement classés en trois catégories en fonction de la température de fonctionnement : les systèmes à cuve parabolique, les systèmes à tour et les systèmes paraboliques. Certains matériaux céramiques avancés peuvent être appliqués aux récepteurs des systèmes d’énergie solaire thermique à tour.
1. Principes de fonctionnement des systèmes d'énergie solaire thermique parabolique, parabolique et à tour
Système d'énergie solaire thermique à cuvette parabolique
Ce système utilise des miroirs paraboliques pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur, chauffant ainsi le fluide de travail. Le fluide chauffé génère de la vapeur via un échangeur de chaleur, qui entraîne ensuite une turbine à vapeur reliée à un générateur, produisant de l'électricité.
Système de parabole
Également connu sous le nom de système de parabole, il utilise un miroir parabolique en forme de parabole pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur au point focal. Structurellement, elle ressemble à une grande antenne radar parabolique. En raison du foyer ponctuel de la parabole, le rapport de concentration peut atteindre plusieurs centaines à plusieurs milliers, permettant des températures extrêmement élevées. Plusieurs systèmes de paraboles peuvent être connectés en parallèle pour former une petite centrale solaire afin de répondre à la demande en électricité.
Système de tour
Également connu sous le nom de système de réception centrale, il utilise un ensemble de grands miroirs (héliostats) installés au sol. Chaque héliostat suit le soleil sur deux axes, réfléchissant et concentrant avec précision la lumière du soleil sur un récepteur situé au sommet d'une tour centrale. L'énergie solaire concentrée chauffe le fluide de travail dans le récepteur, générant de la vapeur surchauffée, qui pénètre ensuite dans le sous-système d'alimentation pour terminer le processus de conversion d'énergie thermique.
2. Matériaux céramiques applicables dans les systèmes d'énergie solaire
Le système d'énergie solaire thermique à tour est très apprécié pour son rapport de concentration élevé (200-1 000 kW/m²), sa température de cycle thermodynamique élevée, ses faibles pertes de chaleur, sa structure de système simple et son rendement élevé. Le récepteur, qui est l'élément central du système d'énergie solaire thermique de la tour, doit résister à des intensités de rayonnement 200 à 300 fois supérieures à celles de la lumière naturelle du soleil, avec des températures de fonctionnement supérieures à 1 000 °C. Par conséquent, ses performances sont cruciales pour le fonctionnement stable et l’efficacité du système de production d’électricité. Les récepteurs métalliques traditionnels ont des limites de température, ce qui fait des matériaux récepteurs en céramique un nouveau sujet de recherche.
En raison de la densité de flux solaire inégale et instable, les exigences suivantes sont imposées aux matériaux récepteurs en céramique :
(1)Résistance à l'oxydation à haute température
Le matériau ne doit pas subir de dommages oxydatifs dans des environnements de travail à haute température à long terme.
（2）Bonnes propriétés mécaniques à haute température et résistance aux chocs thermiques
Pour éviter les dommages matériels dus aux points chauds thermiques.
（3）Taux d'absorption du rayonnement solaire élevé
Pour garantir que le matériau peut absorber pleinement l’énergie solaire.
（4）Structure connectée tridimensionnelle ou bidimensionnelle
Assurant une perméabilité élevée, une faible résistance au flux d’air et une distribution uniforme et stable du flux d’air.
（5）Surface spécifique élevée
Fournir une grande zone d'échange thermique pour assurer un échange thermique suffisant avec l'air.
Les matériaux céramiques suivants peuvent être utilisés comme matériaux récepteurs :
Ceux-ci peuvent résister à des températures supérieures à 1 000 °C, ont une résistance mécanique et une stabilité chimique élevées, et sont résistants aux acides et aux alcalis, avec une bonne conductivité thermique, une bonne résistance d’isolation, une résistivité et une bonne résistance à l’usure. Cependant, leurs inconvénients incluent une faible conductivité thermique et un faible taux d’absorption du rayonnement solaire, nécessitant un revêtement de surface pour augmenter l’absorption du rayonnement solaire. Lors d'une utilisation à haute température, le substrat et le revêtement peuvent se fissurer, et une mauvaise résistance aux chocs limite l'application pratique.
(2)Céramique cordiérite
Ceux-ci ont de faibles coefficients de dilatation thermique, une bonne résistance aux chocs thermiques et de grandes surfaces spécifiques. Cependant, en raison de leur faible résistance, des matériaux tels que la mullite etzirconesont souvent ajoutés pour améliorer la force. Commecéramique d'alumine, les céramiques cordiérite ne conviennent que pour les applications à moyenne température.
（3）Céramiques de carbure de silicium
Ceux-ci présentent une résistance élevée, une grande surface spécifique, une résistance à la corrosion, une résistance à l'oxydation, une bonne isolation thermique, une résistance aux chocs thermiques et une résistance aux températures élevées. Par rapport aux céramiques d'alumine et de cordiérite, les céramiques de carbure de silicium ont de meilleures performances à haute température. Les recherches indiquent que les récepteurs en carbure de silicium fritté peuvent atteindre des températures de sortie d'air allant jusqu'à 1 200 °C sans dommage matériel.
Les céramiques avancées n'ont pas encore été largement déployées sur le marché solaire en raison des coûts techniques. Cependant, grâce aux progrès technologiques, aux mises à jour des produits et à l’amélioration de l’efficacité de la production, les produits céramiques qui correspondent efficacement aux systèmes d’énergie solaire thermique seront largement introduits sur le marché.
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