Использование пластика в технологиях возобновляемой энергетики

Понимание роли размещения в технологиях возобновляемых источников энергии

Покрытие стало краеугольной технологией в секторе возобновляемых источников энергии, что позволяет производить компоненты, которые являются более долговечными и более эффективными. Процесс включает в себя нанесение тонкого функционального слоя металла на подложку, которая может быть металлической, керамической или полимерной основой. По мере того, как глобальная энергетическая инфраструктура смещается в сторону солнечной, ветровой, водородной и аккумуляторной хранилищ, методы покрытия совершенствуются для удовлетворения требовательных требований к производительности и долговечности этих систем. Улучшая коррозионную стойкость, электропроводность и каталитическую активность, покрытие непосредственно способствует снижению уравновешенной стоимости энергии и увеличению срока службы возобновляемых активов.

Методы базового позиционирования и их основные механизмы

В производстве возобновляемых источников энергии используется несколько различных процессов нанесения покрытий, каждый из которых предлагает конкретные преимущества с точки зрения однородности покрытия, адгезии, совместимости материалов и стоимости. Понимание этих методов имеет важное значение для выбора оптимальной стратегии нанесения покрытия для данного применения.

Электроплит

Электроплатинг является наиболее широко используемым методом нанесения покрытий. Он опирается на электрический ток для уменьшения растворенных катионов металлов, заставляя их образовывать когерентное покрытие на заготовке, которое действует как катод. Подложка погружена в раствор электролита, содержащий желаемые ионы металлов, такие как серебро, медь, никель или хром, и применяется постоянный ток. Ионы металлов мигрируют на поверхность и уменьшаются до образования твердого слоя. Электроплатинг обеспечивает точный контроль толщины покрытия, обычно в диапазоне от уровней субмикрона до нескольких сотен микрометров, и производит плотные, прилипшие покрытия. В приложениях возобновляемых источников энергии электроплатинг используется для нанесения проводящих серебряных контактов на солнечные элементы, защитные слои никеля на компоненты ветряных турбин и медные проводники в коллекторах тока батареи.

Электробезопасная посадка

Электролизная обшивка, также известная как автокаталитическая обшивка, не требует внешнего источника питания. Вместо этого осаждение приводится в действие химическим восстановительным агентом, присутствующим в оболочечной ванне. Подложка погружается в раствор, содержащий как ионы металлов, так и восстановительный агент. Каталитическая поверхность инициирует реакцию редукции, а после запуска сам осажденный металл катализирует дальнейшее осаждение, позволяя равномерное покрытие даже на сложных геометриях и непроводящих поверхностях. Этот метод особенно ценен для покрытия пластмасс, керамики и внутренних поверхностей трубок или каналов, используемых в теплообменниках и компонентах топливных элементов. Обшивка безэлектроникеля, часто с фосфорными или борными добавками, обычно используется для обеспечения коррозионной и износостойкости в узлах водородных топливных элементов и электролизеров.

Физическое осаждение паров

Физическое осаждение паров (ПВД) охватывает несколько вакуумных методов, включая распыление и тепловое испарение. В ПВД материал покрытия испаряется в вакуумной камере и затем конденсируется на поверхности подложки. Этот процесс создает чрезвычайно тонкие, плотные и чистые покрытия с отличной адгезией. ПВД широко используется при производстве тонкопленочных солнечных элементов, где слои материалов, таких как медь, индий, галлий и селен, осаждаются для формирования фотоэлектрического поглотителя. Он также используется для применения металлических катализаторов платиновой группы в мембранных электродных узлах для топливных элементов и электролизеров, где точные тонкие слои катализатора минимизируют использование материала при максимизации активной площади поверхности.

Почему важно устанавливать системы возобновляемой энергии

Применение инженерных металлических покрытий обеспечивает сочетание свойств, которые трудно или невозможно достичь только с помощью сыпучих материалов. В системах возобновляемых источников энергии, которые часто работают в суровых условиях и должны соответствовать строгим целевым показателям эффективности, эти преимущества напрямую приводят к повышению производительности и снижению общей стоимости владения.

Критические применения пластирования в технологиях возобновляемой энергетики

Процессы установки интегрированы в производство почти каждой основной технологии возобновляемой энергии.Особые требования каждого приложения определяют выбор материала покрытия, способ нанесения покрытия и стандарты контроля качества.

Солнечные фотоэлектрические панели

В производстве кристаллических кремниевых солнечных элементов для формирования линий фронтальной сетки, собирающих фотогенерируемый ток, используется серебряное гальваническое покрытие. Эти контакты должны проявлять низкое электрическое сопротивление, сильную адгезию к поверхности кремния и минимальное затенение активной области. Разработаны усовершенствованные процессы светоиндуцированного покрытия (LIP) для избирательного нанесения серебра на открытый кремний, снижения потребления металла и повышения эффективности ячеек. Медное покрытие также появляется в качестве более дешевой альтернативы серебру для фронтальной металлизации, особенно в гетеропереходной и обратно-контактной клеточных архитектурах. Помимо контактов, покрытие применяется к шинам и соединительным лентам для обеспечения надежного сбора тока на уровне модуля.

Водородные топливные элементы

ТЭЦ протонной мембраны (ПЭМ) опираются на катализаторы на основе платины, осаждаемые на углеродистую бумагу или слои диффузии слоёв суконного газа. Катализационный слой обычно наносится посредством процессов распыления, гальванического покрытия или чернил. Пластина также имеет решающее значение для биполярных пластин, которые распределяют водород и кислород по ячейке. Нержавеющая сталь и графитовые пластины часто покрыты золотом, нитридом титана или проводящими полимерными покрытиями для предотвращения коррозии и поддержания низкого электрического контактного сопротивления. В твердых оксидных топливных элементах защитные покрытия шпинели или редкоземельных оксидов наносятся через плазменное распыление или ПВД на соединительные компоненты, работающие при высоких температурах.

Электролизеры для производства зеленого водорода

Электролизеры, которые расщепляют воду на водород и кислород с использованием возобновляемой электроэнергии, предъявляют некоторые из самых требовательных требований к покрытию. Анод и электроды катода покрыты металлами платиновой группы, такими как иридий и платина, для катализирования реакций эволюции кислорода и водорода. Сборки электродов мембраны в электролизерах PEM включают тонкие слои катализатора, осажденные с помощью распыления или электродепозиции. Биполярные пластины и токоприемники в щелочных и PEM-электролизерах покрыты сплавами никеля, кобальта или нержавеющей стали для обеспечения коррозионной стойкости в высококислотных или щелочных рабочих средах. Передовые стратегии нанесения покрытий направлены на снижение нагрузки иридия при сохранении активности катализатора и долговечности.

Компоненты ветряных турбин

Ветровые турбины работают при экстремальных механических нагрузках и воздействии окружающей среды. Пластинки используются для защиты критических компонентов от коррозии и износа. Башенные фланцы, болтовые соединения и внутренние конструктивные элементы часто покрываются цинковыми или цинко-никелевыми сплавами посредством гальванических или термических распылительных процессов. Компоненты Gearbox, подшипники и механизмы управления шагом получают выгоду от твердого хромированного покрытия или безэлектронного никелевого покрытия, которые уменьшают трение и продлевают интервалы обслуживания. В морских ветровых установках защита от коррозии еще более жесткая, с многослойными системами покрытия, которые включают металлическую обшивку, грунтовку и верхнее покрытие. Пластинки также играют роль в системах молниезащиты, где медные и позолоченные контакты обеспечивают надежную проводимость высоких токов.

Системы хранения энергии и аккумуляторов

Литий-ионные и возникающие твердотельные батареи полагаются на тонкие металлические покрытия для токоприемников, электродных фольг и соединительных вкладок. Медные и алюминиевые фольги часто гальванизируются углеродными или никелевыми покрытиями для улучшения адгезии активного материала и снижения межфазного сопротивления. В современных конструкциях батарей исследуются литиевые металлические аноды, а процессы нанесения покрытий используются для нанесения однородных литиевых слоев, которые подавляют образование дендрита и улучшают срок службы. Пластина также применяется к шинным перегородкам аккумуляторных модулей, терминалам и межсоединительным соединениям для обеспечения надежных электрических соединений при тепловом цикле и вибрации.

Геотермальные энергетические системы

Геотермальные электростанции циркулируют горячие, коррозионные рассолы через теплообменники, трубы и турбины. Покрытие никелем, титаном или специальными сплавами обеспечивает защиту от сульфидного растрескивания напряжения, хлоридного толчка и эрозионно-коррозионного. Электроличные никель-фосфорные покрытия обычно наносятся на внутренние поверхности теплообменников и клапанов. Для геотермальных систем бинарного цикла покрытые покрытия на рабочих жидкостных теплообменниках улучшают теплообмен и уменьшают загрязнение, способствуя повышению тепловой эффективности.

Выбор материала и оптимизация производительности покрытия

Выбор материала покрытия регулируется конкретными функциональными требованиями компонента и условиями окружающей среды, с которыми он столкнется. Серебро и медь предпочтительны для электропроводности в контактах и межсоединениях солнечных элементов. Никель и хром обеспечивают выдающуюся коррозионную и износостойкость в широком диапазоне рН. Металлы платиновой группы обеспечивают каталитическую активность, необходимую для преобразования электрохимической энергии. Композитные покрытия, такие как карбид никеля-алмаза или карбида никеля-кремния, используются в приложениях, требующих чрезвычайной твердости и эрозионной стойкости, таких как лопасти турбин и компоненты насоса.

Толщина покрытия, пористость, адгезия и однородность являются критическими параметрами качества, которые непосредственно влияют на производительность и надежность компонентов. Передовые методы характеристики, включая сканирование электронной микроскопии, рентгеновскую дифракцию и электрохимическую спектроскопию импеданса, используются как в разработке, так и в производстве для проверки свойств покрытия. Параметры контроля процесса, такие как плотность тока, состав ванны, температура и рН, должны точно поддерживаться для достижения согласованных результатов.

Экологические и экономические аспекты в процессах плэтирования

Для того чтобы свести к минимуму выбросы в окружающую среду, в обшивке предприятий необходимо уделять повышенное внимание воздействию традиционных процессов на окружающую среду. Многие обшивочные ванны содержат токсичные или опасные химические вещества, в том числе цианиды, шестивалентный хром и сильные кислоты. Очистка сточных вод, контроль выбросов в атмосферу и удаление шлама регулируются с целью минимизации выбросов в окружающую среду. Сектор возобновляемой энергетики, построенный на принципах устойчивости, стимулирует спрос на более экологичные альтернативы обшивки. Хром гексавалент, который широко используется для твердого хромирования, во многих областях применения заменяется трехвалентным хромом и другими сплавами. Также набирают популярность решения для нанесения покрытий из серебра и меди без цианида.

С экономической точки зрения, покрытие может снизить общую стоимость материалов компонентов возобновляемой энергии, позволяя использовать дорогие металлы только там, где это необходимо. Тонкие слои катализатора в топливных элементах и электролизерах минимизируют потребление платины и иридия, что имеет решающее значение для конкурентоспособности затрат. Покрытие также снижает затраты на техническое обслуживание и замену, продлевая срок службы компонентов. Анализ стоимости жизненного цикла последовательно показывает, что инвестиции в высококачественные покрытия снижают общую стоимость владения в течение срока эксплуатации установки возобновляемой энергии.

Возобновление пластинчатых компонентов является новым соображением.По мере того, как системы возобновляемой энергии достигают конца жизни, восстановление драгоценных металлов с пластинчатых поверхностей становится экономически и экологически важным.Разрабатываются гидрометаллургические и пирометаллургические процессы для выборочного извлечения и извлечения серебра, платины, иридия и других ценных металлов из отработанных электродов, катализаторов и электронных компонентов.

Инновации и будущие направления в области возобновляемых источников энергии

Исследования и разработки направлены на продвижение технологий нанесения покрытий для удовлетворения меняющихся потребностей отрасли возобновляемой энергетики. Наноструктурированные и многофункциональные покрытия являются основной областью инноваций. Управляя микроструктурой осажденного слоя на наноуровне, исследователи могут достичь свойств, невозможных с обычными покрытиями. Примерами являются нанопористые платиновые покрытия с высокой площадью поверхности для катализа, многослойные интерференционные покрытия для селективного поглощения солнечной энергии и супергидрофобные покрытия, которые предотвращают накопление льда на лопастях ветряных турбин.

Электроосложение усовершенствованных сплавов и композиционно-градуированных материалов является еще одним перспективным направлением.Изменяя состав покрывающей ванны при осаждении, можно создавать покрытия с постепенным переходом от одного материала к другому, оптимизируя как адгезию, так и характеристики поверхности.Техники пульсового и импульсно-обратного гальванического покрытия позволяют более тонко контролировать размер зерна, текстуру и остаточное напряжение, в результате чего получаются более плотные и более коррозионно-стойкие покрытия.

Добавочное производство в сочетании с обшивкой открывает новые возможности. Трехмерные печатные компоненты могут быть покрыты пластинами для добавления проводящих, каталитических или защитных поверхностей без ограничений традиционной обработки. Эта комбинация особенно актуальна для пользовательских полей потока в топливных элементах и электролизерах, где сложные геометрии каналов улучшают массовый транспорт и уменьшают падение давления.

Мониторинг на месте и автоматизация процессов улучшают согласованность и производительность операций по нанесению покрытий. Датчики реального времени, отслеживающие химию ванн, температуру и скорость роста покрытия, позволяют осуществлять адаптивный контроль процесса, сокращая отходы и увеличивая выход первого прохода. Алгоритмы машинного обучения применяются для оптимизации параметров нанесения покрытий для конкретных геометрий компонентов и целевых показателей производительности.

Внешнее сотрудничество и усилия по стандартизации также продвигают область. Такие организации, как Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) и Международная организация по стандартизации (ISO), разработали стандарты толщины покрытия, испытания на адгезию и коррозионную стойкость, которые широко применяются в цепочке поставок возобновляемой энергии. Исследовательские партнерства между национальными лабораториями, университетами и отраслевыми консорциумами продолжают ускорять передачу новых технологий покрытия из лаборатории в коммерческое производство.

Роль покрытия в технологиях возобновляемых источников энергии будет продолжать расширяться, поскольку отрасль требует более высокой эффективности, более низкой стоимости и более длительного срока службы от своих компонентов. От солнечных элементов и топливных элементов до батарей и ветряных турбин, инженерные металлические покрытия являются критическим фактором глобального энергетического перехода. Текущие достижения в области управления процессами, материаловедения и охраны окружающей среды гарантируют, что покрытие остается устойчивой и незаменимой технологией производства для экономики чистой энергии.

Для дальнейшего чтения по конкретным приложениям и техническим стандартам см. ресурсы Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии по фотоэлектрическому производству , Обзор технологий топливных элементов в Департаменте энергетики и ASTM для электродепозитных покрытий .