جادوی آلیاژ نیکل با دمای بالا و فولاد ضد زنگ در تولید انرژی خورشیدی متمرکز

آلیاژهای مبتنی بر نیکل و فولادهای ضد زنگ حاوی نیکل نقش کلیدی در نوع جدیدی از انرژی های تجدیدپذیر به نام انرژی حرارتی خورشیدی یا انرژی متمرکز خورشیدی (CSP) بازی می کنند.

استفاده از این مواد به صنعت این امکان را داده است که بر چالش‌های فناوری انتقال و ذخیره‌سازی حرارت غلبه کند و برای پروژه‌هایی با عمر طراحی ۴۰ سال یا بیشتر، می‌تواند به کاهش تخریب مواد یا هزینه‌های جایگزینی کمک کند.

طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEO 2017)، بین سال‌های 2015 تا 2040، مصرف انرژی‌های تجدیدپذیر (از جمله CSP) با نرخ سالانه 2.3 درصد رشد خواهد کرد. در حال حاضر بیش از 40 نیروگاه حرارتی خورشیدی در سراسر جهان وجود دارد و بیش از 20 نیروگاه از این قبیل در مرحله برنامه ریزی یا ساخت هستند. آنها تمایل دارند در مناطقی با تابش خورشیدی بالا مانند اسپانیا، هند، آفریقای جنوبی، چین، شیلی، استرالیا، خاورمیانه و شمال آفریقا (MENA) و جنوب ایالات متحده واقع شوند.

نیروگاه های CSP نمایشی در اوایل دهه 1980 در حال بهره برداری بودند. از آن زمان، پیشرفت های زیادی در برداشت و ذخیره انرژی حاصل شده است. برج خورشیدی یک فناوری متمرکز کننده جدید است که در آن از نمک مذاب به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می شود. دمای ذوب مخلوط نیترات به طور کلی 130 درجه (268 درجه فارنهایت) یا بالاتر است. آنها به شکل مایع در مخازن ذخیره عایق در دمای 288 درجه (550 درجه فارنهایت) باقی می مانند. نمک مایع سپس از طریق یک لوله به یک گیرنده خورشیدی پمپ می شود و توسط تابش متمرکز تا دمای 566 درجه (1050 درجه فارنهایت) گرم می شود. سپس مایع با دمای بالا به مخزن ذخیره با دمای بالا وارد می شود. مخزن ذخیره دمای بالا نیز عایق است و می تواند انرژی حرارتی را برای مدت طولانی ذخیره کند.

ذخیره‌سازی برق حرارتی (TES) برای جبران تغییرات تقاضا و شرایط محیطی استفاده می‌شود. نمک مذاب در صورت نیاز به یک مولد بخار پمپ می شود تا بخار تولید کند تا توربین ها و ژنراتورهای معمولی را به حرکت درآورد. TES نسبت به سایر منابع انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ مزایای منحصر به فردی دارد و در برخی موارد حتی به سوخت تولید برق پشتیبان نیاز ندارد. در تابستان 2013، سیستمی از برج‌های نمک مذاب در اسپانیا به مدت 36 روز در 24 ساعت شبانه‌روز - برای اولین بار - برق مستمر تولید کرد.

Crescent Dunes یکی از این نیروگاه های در حال بهره برداری است. این دستگاه که در تونوپه، نوادا، در صحرای شمال لاس وگاس واقع شده است، دارای ظرفیت خالص تولید 110 مگاوات و زمان TES 10 ساعت است. این بدان معناست که نیروگاه می‌تواند تا 10 ساعت در دوره‌های اوج تقاضا برق را با ظرفیت کامل تولید کند. بیش از 10،000 هلیواستات نور خورشید را منعکس می‌کنند و انرژی را در گیرنده‌ای در بالای یک برج 200- متری (640- فوتی) متمرکز می‌کنند. هر هلیواستات از آینه های کوچکی با مساحت 115.7 متر مربع (1245 فوت مربع) تشکیل شده است. کل مساحت جمع آوری نور بیش از 1.2 میلیون متر مربع (12 میلیون فوت مربع) است. از زمان راه اندازی تجاری خود در سال 2015، Crescent Dunes بیش از 173 گیگاوات برق تولید کرده است که برای پاسخگویی به اوج تقاضای برق حدود 75،{17}} خانه کافی است. برج های خورشیدی و CSP های نمک مذاب اساس طراحی پروژه های برنامه ریزی شده جدید در آفریقای جنوبی، استرالیا و نوادا را تشکیل می دهند. پروژه 100 مگاواتی Redstone در آفریقای جنوبی حداکثر تقاضای برق حدود 200 خانوار{20}} را با زمان TES 12 ساعت برآورده خواهد کرد. یک پروژه عظیم جدید در نوادا دارای 10 برج خورشیدی با ظرفیت تولید 2 گیگاوات (2،{25}} مگاوات) است.

استفاده ازفولاد ضد زنگوآلیاژهای نیکلسیستم‌های دمای بالا را ممکن کرده است، جایی که مدیریت نمک‌های مذاب قبلاً یک چالش بود. طراحان و مهندسان شروع به ساخت لوله های گیرنده از آلیاژهای مبتنی بر نیکل مانند UNS N06617، N06625 و N06230 کردند، زیرا آنها نیاز به حفظ استحکام در دمای بالا برای مدت زمان طولانی داشتند -- خاصیتی که به عنوان مقاومت در برابر خزش شناخته می شود. این آلیاژها عمدتاً به دلیل میزان بالای نیکل و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای عملیاتی پایدار هستند.

فولاد ضد زنگ نوع 347H (S34709) برای مخازن ذخیره با دمای بالا استفاده می شود.

تا سال 2016، کل ظرفیت نصب شده CSP ها در سراسر جهان به 4815 مگاوات رسید. در سال 2017، اسپانیا 2300 مگاوات ظرفیت نصب شده در حال بهره برداری داشت که تقریباً نیمی از کل ظرفیت جهان است. ایالات متحده دارای ظرفیت نصب شده 1740 مگاوات است و دارای دو پروژه بزرگ در جهان است: نیروگاه خورشیدی Avenpa (392 مگاوات) و پروژه خورشیدی Mojave (354 مگاوات).

Crescent Dunes، واقع در صحرای شمال لاس وگاس، نوادا، دارای ظرفیت خالص تولید برق 110 مگاوات و زمان TES 10 ساعت است. این بدان معناست که نیروگاه می‌تواند تا 10 ساعت در دوره‌های اوج تقاضا برق را با ظرفیت کامل تولید کند.

فناوری متمرکز برج خورشیدی

1. نور خورشید از طریق میدان بزرگی از هلیواستات ها متمرکز می شود و به گیرنده ای در بالای یک برج 195- متری (640- فوتی) منعکس می شود. 2. نمک مایع از مخزن نمک سرد به گیرنده پمپ می شود و تا 566 درجه (1050 درجه فارنهایت) گرم می شود. 3. نمک گرم شده در گیرنده در یک مخزن نمک داغ ذخیره می شود. 4. نمک داغ از طریق مولد بخار به مخزن نمک داغ پمپ می شود تا بخار تشکیل شود که توربین بخار را برای تولید برق به حرکت در می آورد. 5. نمک سرد در 288 درجه (550 درجه فارنهایت) به مخزن نمک سرد برمی گردد. 6. بخار تغلیظ شده از توربین بخار به طور مکرر بازیافت می شود.