Нитрид алюминия продлит жизнь солнечным электростанциям

Ученые разработали композиционный материал, который позволит продлить срок службы солнечных башен.

Исследователи НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Центрального научно-исследовательского института металлургии (Египет) разработали композиционный материал, который позволит продлить срок службы солнечных башен — установок для сбора тепловой энергии Солнца — с двух-трех до пяти лет. Статья о разработке опубликована в журнале Renewable Energy.

Сегодня все более популярными становятся солнечные электростанции (СЭС), позволяющие собирать и перерабатывать солнечную энергию в промышленных масштабах. Среди наиболее перспективных видов СЭС — так называемые солнечные башни. Это особое сооружение, представляющее собой высокую башню с резервуаром воды и турбинной системой внутри.

Башня окружена по периметру гелиостатами — большими вращающимися зеркалами, захватывающими солнечные лучи и концентрирующими общий световой пучок в одной точке башни. Пучок попадает на солнечный адсорбер — теплопоглощающий элемент, который, в свою очередь, нагревает особый солевой раствор до 600 °C. От солевого раствора уже нагревается вода в примыкающем резервуаре, а пар вращает турбины электростанции.

В качестве традиционного элемента для солнечных адсорберов выступает карбид кремния (SiC) — пористый керамический материал, обладающий целым рядом полезных характеристик: высокая плотность, прочность, стойкость к окислению и многие другие. Однако и у карбида кремния есть недостатки: например, он чувствителен к агрессивной среде солевых расплавов.

Перспективным дополнением к карбиду кремния служит нитрид алюминия AlN: он обладает высокой теплопроводностью, низким коэффициентом термического расширения, высокой термостойкостью. Сейчас композиты SiC/AlN применяются в основном в электронике, но потенциально их можно использовать в ряде других областей, в том числе для задач тепловой трансформации солнечной энергии.

Ученые кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» в сотрудничестве с коллегами из Центрального научно-исследовательского института металлургии разработали пористые композиты на основе SiC/AlN, содержащие до 40 процентов нитрида алюминия.

В ходе работы были подобраны оптимальные составы добавок и режимы спекания новых композитов, которые существенно превосходят традиционные, благодаря формированию твердого раствора на границах зерен карбида кремния. Наряду с высокой теплопроводностью и термостойкостью такие композиты обладают низким коэффициентом температурного расширения, что существенно улучшает их эксплуатационные параметры.

«Солнечная энергетика требует долговечных материалов без дефектов, — комментирует руководитель исследовательской группы с египетской стороны доктор Эмад Эваис. — Далее мы планируем протестировать разработанный нами материал в солнечных установках».

Благодаря хорошим термохимическим и термомеханическим свойствам, композиты SiC/AlN перспективны для применения и в других высокотемпературых областях — металлургии и авиакосмической технике.