תפקיד טיטניום בשיפור היעילות של מערכות כוח השמש

הגידול צריך לחדשנות חומרית באנרגיה סולארית

כוח השמש חווה צמיחה נפץ בעשור האחרון, עם יכולת מותקנת גלובלית העולה על 1 teraוואט בשנת 2022.כפי שהעולם דוחף לעבר פליטות אפס נטו, כל עלייה של אחוז ביעילות פאנל או ירידה בעלות המערכת יש השפעה מסיבית על פלט אנרגיה וחזרה על השקעות.מהנדסים באופן מסורתי מסתמכים על אלומיניום, זכוכית ופולימרים עבור רוב רכיבי השמש, אבל חומרים אלה עומדים בפני עמידות קורוזיה, תרמי, ומאפשרים, משקל אסטרטגי עבור טיטאן, ואווירה, ומאפשרים מתקדמים.

בעוד טיטניום קשורה לעתים קרובות בעלות גבוהה, השילוב הייחודי של תכונות יכול לספק ערך לטווח ארוך שעולה על הוצאות על פני מעלה ביישומים תובעניים. מאמר זה חוקר כיצד טיטניום ותרכובותיה לטפל בנקודות כאב קריטיות בטכנולוגיה סולארית, מהתא עצמו כדי לעלות תשתיות וניהול תרמי.

המאפיינים הייחודיים של טיטניום עבור יישומים סולאריים

טיטניום הוא האלמנט העשירי ביותר ב קרום כדור הארץ, אך החילוץ והעיבוד שלו הם אנרגיה-אינסטנסיבי.עם זאת, המאפיינים הביצועים שלה הופכים את זה הכרחי עבור מקרים מסוימים של שימוש סולארי.הבנת תכונות אלה עוזר להסביר מדוע טיטניום הופך להתמקד של R& מאמצי D.

כוח-ל-Weight Ratio

טיטניום טהור מבחינה מסחרית יש צפיפות של כ-4.5 גרם / ס"מ3 - חצי מזה של פלדה אבל עם כוח דומה.פאנל הסולארי הרים מבנים, במיוחד עבור גג ומתקנים צפים photovoltaic (FPV), צמצום משקל ללא הקרבה של עומס עומס על קיבולת פשטות סימולטור סימולציות ומאפשרת מסגרות תמיכה קלות.

התנגדות קורוזיה

טיטניום מהווה שכבת תחמוצת יציבה, עצמית (TiO2) המגנה על המתכת הבסיסית בסביבות אשר יניחה במהירות אלומיניום או פלדה גליונית.עבור חוות סולאריות באזורי החוף, מלח המדבר שטוח, או אזורים תעשייתיים עם גשם חומצי, התנגדות קורוזיה זו מתורגמת לתוך מרווחי תחזוקה שיכולים לעלות על 30 שנים.

יציבות והתנהלות

בעוד מוליכות תרמית של טיטניום (כ-17 W/mK) נמוכה יותר מאלומיניום או נחושת, המקדם שלה של התרחבות תרמית תואם הדוקה של סיליקון וזכוכית. תאימות זו מפחיתה מתח מכני בלוחות נתון לתנודות טמפרטורה יומית, מניעת מיקרו-קאקרים בתאי השמש.בנוסף, נקודת ההיתוך הגבוהה של טיטניום (1,66 מעלות צלזיוס) מבטיחה כי noformation under amindows מתרחשת תחת כמה צינורות אנרגיה מרוכזים (C) במקום כמה רמות).

התנהגות חשמלית

טיטניום טהור אינו מנצח חשמל יוצא דופן (resistivity -420 n ⁇ m), אבל תחמוצת שלו, TiO2, הוא מוליכים למחצה פסגהפ כי ממלא תפקיד מכריע במכשירים פוטו-וולטאיים. יתר על כן, טיטניום nitride (Titanium carbide) ו titanium (TiC) משמשים כחסמים מוליכים למחצה באדריכלות סולרית דקת, מניעת זיהום מתכת נמוך.

טיטניום די תחמוצת: סוס העבודה Semiconductor

השימוש הנרחב ביותר של טיטניום באנרגיה סולארית כיום אינו הצורה המתכתית אלא תחמוצת הפחמן שלה: דו תחמוצת טיטניום (TiO2). תרכובת זו הפכה לחומר אבן הפינה במספר טכנולוגיות תאים סולאריות בשל תכונות אופטיות, אלקטרוניות וכימיקליות.

TiO2 ב-Dye-Sensitated Solar Cells (DSSCs)

DSSCs, הידוע גם בשם תאי גרציול, מסתמכים על שכבת meso ⁇ של TiO2 חלקיקים מצופים בצבע אור-אבסרבינג.The TiO2 פועל כמו גם מסובך וגם מובל אלקטרונים.תחת תאורה, photoexcited אלקטרונים מן הצבע מוזרקים ל- 10,000 מערכות ההפעלה של TiO2 ואסף במהירות את השטח הגדול של TiO2-T.

TiO2 כשכבה של תחבורה אלקטרון ב Perovskite סולרי תאים

תאים סולאריים Perovskite השיגו יעילות מוסמך מעל 26% רק מעל עשור. רוב עיצובים יעילות גבוהה להשתמש שכבת TiO2 קומפקטי כחומר תחבורה אלקטרונים (ETM), יחד עם טבע meso ⁇ TiO2 scaffold. TiO2 משמש כדי לחלץ אלקטרונים מ סופג אנרגיה perovskite תוך חסימת חורים.

Titanium-based ננו-מבנים ל- Light טרמפ

דו תחמוצת טיטניום ניתן לסנתז במורולוגיות שונות - צינורות, ננודדים, ננווטים - אשר משפרים את פיזור האור ואוסף המטען.לדוגמה, מערך ננו-תחמוצת טיטניום דו-חמצני מציעים מבנה מסודר מאוד עם תחבורה מטען חד-צדדי, צמצום אובדן Recombination. כאשר משולב לתוך סיליקון דק או perovskite, מבנים אלה קצר-cuciit בהשוואה ל דחיסות נוכחית 20% כדי תוכניות עדכניות.

טיטניום בהרטינג ו- Structural Components

בעוד שרוב מרכזי השיחה ביעילות על התא עצמו, רכיבי האיזון של המערכת (BOS) - מרכזי, מסילות, קלפיות, ממריצים - משפיעים גם על ביצועי המערכת הכוללת.כשלים הקשורים קורוזיה של אלומיניום או עלות פלדה יכולים להוביל להתאמה, מיקרו-מפצח, והפסדים חשמליים מוגברים לאורך זמן.

Offshore ו Floating Solar Installs

השמש Floating היא אחד המגזרים הצומחים ביותר, עם מתקנים על מאגרים, סכרים, וכעת פתוח אוקיינוס. סולטווטר החשיפה הוא קורוזי ביותר: סגסוגת אלומיניום סטנדרטית יכולה לבור בתוך חודשים, ופלדה אל-חלד עלולה לסבול קורוזיה של קריקטורן באזורי סטגנטינט.טיניום 2 (טהורה טהורה) ודרגה 5 (עד 6AlV-4) הוכחו במבחנים ארוכי טווח כמו CARK) ו-Cretaniel (Ne) החלים (Temtineium 2 (T) החלים) ו-Cretanretineium 2 (T) החלים (Te) ו-Cretinem (Te) ו-Cretineium 2 (Fretineium 2 (F).

משקל קל משקל: Racking

על גגות מסחריים, כל קילוגרם של משקל עולה דורש חיזוק מבני.הכוח של טיטניום מאפשר פרופילים דקים ופחות נקודות החזקות בהשוואה לאלומיניום.בהתחשב בכך שמש גג חשבונות עבור כ-40% מה- PV מבוזר, חיסכון במשקל יכול להפחית את עלויות ההתקנה ולהרחיב סוגי גג נגישים.למרות שבסיס טיטניום עשוי לעלות 3-5 פעמים יותר מאלומיניום למעלה, תוחלת החיים והתחזוקה שלה עלולה לייצר רמה נמוכה יותר של אנרגיה אגרסיבית (LEARCO) על פני כדור הארץ.

ניהול תרמי עם Titanium Heat Exchangers

יעילות פאנל השמש מתפוגגת כאשר טמפרטורת התאים עולה - באופן חד-משמעי על ידי 0.3–0.5% per ° C מעל 25 מעלות צלזיוס, מערכות קירור Active C. אקטיביות יכולות להפחית את זה, אבל הן מוסיףות פרציטיות ותחזוקה.

מערכת PV/Thermal (PV/T)

במערכות PV/T, נוזל (מים או גליקול) זורם מאחורי הפאנל כדי לחלץ חום פסולת עבור מים חמים מקומיים או חימום חלל. Titanium חום מחליפים משלבים התנגדות קורוזיה (חשוב עם תוספי אנטי-קפאה) עם כוח גבוה לעמוד בכוחות הדגימה הדרושים ליצירת קשר תרמי טוב. מחקרים מראים כי החלפת נחושת או אלומיניום החלפת מחליפים חום עם טיטניום משפרת אמינות ארוכת טווח במערכות שבהן רמות pH נשלטות או pH נשלטות.

קבלן סולאריות (CSP)

מתקני CSP משתמשים מראות כדי להתמקד באור השמש על צינורות מקלט המכילים נוזל העברת חום (HTF) בטמפרטורות עד 565 מעלות צלזיוס. צינורות המקלט חייבים להתמודד עם מתח תרמי גבוה, חמצון, וcorrosion מן HTF (לעתים קרובות מלח צלול) טיטניום משופר - במיוחד Tironation-6Al-4V-3-2.5V - נבדקו כספיגה של ציפויים מבניים וציפוי מקלטים עבור LT2F) פחמן מסוג 2.

השוואה עם חומרים חלופיים

כדי להבין את תפקידו של טיטניום, הוא עוזר למדוד את החומרים שהוא מתחרה במערכות סולאריות.

Property	Titanium (Grade 2)	Aluminum (6061)	Stainless Steel (316)
Density (g/cm³)	4.5	2.7	8.0
Yield Strength (MPa)	275	276	290
Corrosion Resistance (salt spray)	Excellent	Moderate (pitting)	Good (but crevice)
Relative Cost (per kg)	High	Low	Medium
Thermal Expansion (μm/m·°C)	8.6	23.6	16.0

אלומיניום זול יותר וקל יותר אבל סובל מ קורוזיה גליונית כאשר במגע עם מנצח נחושת או מזרז פלדה פחמן.פלדה סטאאין הוא כבד ופחות בצורת.טיניום מגויס את הפער: זה הרבה יותר קל מאשר פלדה, כמעט חזק, ומציע התנגדות קורוזיה לא מתאימה.המחסום העיקרי הוא עלות, אבל כמו טכניקות עיבוד (כגון אבקת מתכת ומודל ייצור) הם ירידה במחירים טיטניום.

ייצור מתקדם מוריד את עלויות טיטניום

העלות הגבוהה של טיטניום מוגבלת באופן מסורתי למגזרים מיוחדים.עם זאת, כמה התפתחויות הופכות אותו ליותר קיימא עבור יישומים סולאריים.

אבקת Metallurgy (PM)

במקום להציק ולטעון, חלקי טיטניום יכולים להיות מחוסנים ומחוספסים אבקה. גישה זו ליד-net-shape מפחיתה פסולת חומרית (שמחירה הוא יקר בעת שימוש בספוג טיטניום) ולהימנע ממזיקים קשים.ספקים רבים מציעים כעת מזרזי טיטניום ומצעים המיוצרים באמצעות ראש הממשלה במחירים תחרותיים עם פלדה גבוהה.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

התכת לייזר סלקטיבית (SLM) ואלקטרון beamהיתוך (EBM) מאפשרים ייצור של חלקי טיטניום מורכבים - כגון החלפת חום fins עם ערוצים פנימיים - זה יהיה בלתי אפשרי להטיל. עבור מתקנים סולאריים נמוכים כרכים (כמו צ'יפים גג מותאם אישית או רכיבי מקלט CSP), טיטניום 3D מודפס יכול להפחית את המשקל על ידי 40% תוך שמירה על כוח.

מחזור וכלכלה מעגלית

טיטניום (גם מרכיבים מוגמרים וסופם של החיים) ניתן למחזר לתוך אינגווט חדש או אבקה עם קלט אנרגיה נמוך יחסית בהשוואה לייצור ראשוני.ככל שמערכות סולאריות יותר משלבות טיטניום, זרם מחזורי מתפתח, עוד יותר צמצום עלויות נטו.

אפשרויות לעתיד: טיטניום בטכנולוגיות הסולאריות הבאות

במבט קדימה, טיטניום ממוקם כדי לשחק תפקיד גדול עוד יותר, כאשר החוקרים דוחקים את גבולות היעילות והעמידות.

טיטניום ב-Tandem Solar Cells

תאי Tandem כי סיליקון perovskite או שני perovskites שונים דורשים שכבות התנהגות שקוף כי הם יציב מבחינה כימית.Indium tin oxide (ITO) הוא תקן הנוכחי, אבל נתרן הוא נדיר ויקר.טיניום דווע אלומיניום חמצני (ITiO) ו Niobium-do titanium oxide (NTO) הם מתעוררים כמו חלוצים שקוף עם ניידות גבוהה וקליטורים לטווח קצר, IF מוקדם של IF להראות קריטריונים קריטי יותר.

פאנלים סולאריים גמישים ו- Portable Solar Panels

האופי הקל משקל של סיטוניום הופך אותו למצע אטרקטיבי עבור לוחות סולאריים גמישים פילים. על ידי להפקיד נחושת indium גלניום סלנדיד (CIGS) או צוירוריד (CdTe) על סייר טיטניום בחזרה, יצרנים יכולים לייצר לוחות עמידים, מתגלגלים עבור קמפינג, צבאי או חירום. טיטאן תת-תת לעמוד חוזרים ללא עייפות, ונפיחות תרמילאמית, , , התנגשויות מוליכים למחצה.

משטחים עם TiO2 Photocatalysis

פעילות פוטו-ליטית של טיטניום דו-חמצני תחת אור UV מתפזרת לכלוך אורגני ומפחיתה את הקרקע על לוחות סולאריים. Soilingהפסדים - לעתים קרובות 5–10% של אנרגיה שנתית באזורים מאובקים - ניתן להפחית באמצעות יישום ציפוי שקוף TiO2 למשטח הזכוכית.הציפוי אינו רק מנקה את עצמו תחת השמש אלא גם מציג תכונות מסחריות אנטימיקרוביאליות.

מסקנה

תפקידו של טיטניום במערכות כוח סולאריות משתרע הרבה מעבר לרעיון הפשוט של מתכת חזקה.משכבות NU2 מתמצית אלקטרונים בתאים perovskite יעילות גבוהה למסגרות הרה המחוספסות התומכים במערךים צפים בסביבות ימיות קורוזיות, טיטניום מטפל באתגרים הנדסיים בסיסיים.

בעוד תעשיית השמש בוגרת והמתקנים עוברים לסביבות תובעניות יותר (מחוץ לחוף, המדבר, גגות תעשייתיים), החומרים שמאזנים את הביצועים עם תוחלת החיים יקבעו את ההצלחה הכוללת של מעבר האנרגיה.טיניום, שפעם שמורה למטוסי קרב ושתלים רפואיים, הופך להיות שותף שקט אך קריטי במרוץ לרתום את השמש.