Роль титана в повышении эффективности солнечных энергетических систем

Растущая потребность в материальных инновациях в солнечной энергии

Солнечная энергия пережила взрывной рост за последнее десятилетие, с глобальной установленной мощностью, превышающей 1 тераватт в 2022 году. Поскольку мир движется к чистым нулевым выбросам, увеличение эффективности панелей или снижение стоимости системы оказывает огромное влияние на выработку энергии и отдачу от инвестиций. Инженеры традиционно полагались на алюминий, стекло и полимеры для большинства солнечных компонентов, но эти материалы сталкиваются с ограничениями в коррозионной стойкости, термостабильности и весе. Титан - металл, наиболее известный аэрокосмическими и медицинскими имплантатами - становится стратегическим фактором для солнечных систем следующего поколения, как в повышении эффективности, так и в продлении срока службы.

Хотя титан часто ассоциируется с высокой стоимостью, его уникальное сочетание свойств может обеспечить долгосрочную ценность, которая перевешивает первоначальные расходы в требовательных приложениях. В этой статье рассматривается, как титан и его соединения решают критические болевые точки в солнечной технологии, от самой ячейки до монтажной инфраструктуры и управления температурой.

Уникальные свойства титана для солнечных применений

Титан является девятым по распространенности элементом земной коры, но его добыча и обработка энергоемки. Тем не менее, его эксплуатационные характеристики делают его незаменимым для определенных случаев использования солнечной энергии. Понимание этих свойств помогает объяснить, почему титан становится центром исследований и разработок.

Отношение силы к весу

Коммерчески чистый титан имеет плотность около 4,5 г / см3 - примерно половину от стали, но с сопоставимой прочностью. В конструкциях крепления солнечных панелей, особенно для крышных и плавучих фотоэлектрических (FPV) установок, снижение веса без ущерба для грузоподъемности упрощает логистику и позволяет использовать более легкие опорные рамы. Удельная прочность титана также позволяет более тонкие поперечные сечения, что может уменьшить затенение от монтажных рельсов и улучшить общую компоновку массива.

Коррозионная устойчивость

Титан образует стабильный, самовосстанавливающийся оксидный слой (TiO2), который защищает основной металл в средах, которые быстро разрушают алюминий или оцинкованную сталь. Для солнечных ферм в прибрежных зонах, пустынных соляных плоскостях или промышленных регионах с кислотными дождями эта коррозионная стойкость приводит к интервалам обслуживания, которые могут превышать 30 лет. Плавучие солнечные батареи, которые работают в контакте со свежей или соленой водой, особенно выигрывают от титановых креплений, шарниров и элементов рамы, чтобы избежать гальванической коррозии.

Термическая стабильность и проводимость

В то время как теплопроводность титана (около 17 Вт / м · К) ниже, чем у алюминия или меди, его коэффициент теплового расширения близко соответствует коэффициенту кремния и стекла. Эта совместимость снижает механическое напряжение в панелях, подвергающихся ежедневным колебаниям температуры, предотвращая микротрещины в солнечных элементах. Кроме того, высокая температура плавления титана (1 668 ° C) гарантирует, что в условиях концентрированной солнечной энергии (CSP) не происходит деформации, когда трубки приемника могут достигать нескольких сотен градусов.

Электрическое поведение

Чистый титан не является исключительным электрическим проводником (резистентность ~ 420 нОм·м), но его оксид, TiO2, является широкополосным полупроводником, который играет решающую роль в фотоэлектрических устройствах. Кроме того, нитрид титана (TiN) и карбид титана (TiC) используются в качестве проводящих диффузионных барьеров в тонкопленочных конструкциях солнечных элементов, предотвращая загрязнение металла при сохранении низкого сопротивления контакту.

Диоксид титана: полупроводниковая рабочая лошадка

Наиболее широко используемый титан в солнечной энергии сегодня не металлическая форма, а его оксид: диоксид титана (TiO2).Это соединение стало краеугольным материалом в нескольких технологиях солнечных элементов благодаря своим оптическим, электронным и химическим свойствам.

TiO2 в красящих сенсибилизированных солнечных элементах (DSSC)

DSSC, также известные как клетки Grätzel, полагаются на мезопористый слой наночастиц TiO2, покрытых светопоглощающим красителем. TiO2 действует как каркас, так и транспортер электронов. При освещении фотовозбужденные электроны из красителя вводятся в полосу проводимости TiO2 и быстро собираются. Большая площадь поверхности пленки TiO2 (до 1000 раз геометрической площади) максимизирует загрузку красителя и сбор света. Исследования выдвинули эффективность DSSC за пределы 14% в лабораторных условиях, а долгосрочные тесты стабильности показывают, что TiO2 сохраняет свою производительность в течение более 10 000 часов непрерывной работы.

TiO2 как электронный транспортный слой в перовскитных солнечных элементах

Перовскитные солнечные элементы достигли сертифицированной эффективности выше 26% всего за десятилетие. Большинство высокоэффективных конструкций используют компактный слой TiO2 в качестве материала переноса электронов (ETM) вместе с мезопористым каркасом TiO2. TiO2 служит для извлечения электронов из поглотителя перовскита при блокировании дырок. Он также действует как барьер против влажности и ионной миграции, улучшая долговечность устройства. Недавние работы исследовали допинг TiO2 с ниобием или магнием для повышения проводимости и уровня энергии, дальнейшего повышения коэффициентов заполнения и напряжений с открытым замыканием (]Nature Energy, 2019 .

Наноструктуры на основе титана для ловли света

Диоксид титана может быть синтезирован в различных морфологиях — нанотрубках, нанопроволоках, которые усиливают рассеяние света и сбор заряда. Например, анодированные нанотрубки диоксида титана предлагают высокоупорядоченную структуру с однонаправленным переносом заряда, уменьшая потери рекомбинации. При интеграции в тонкопленочные кремниевые или перовскитные устройства эти структуры улучшают плотность тока короткого замыкания до 20% по сравнению с плоскими пленками.

Титан в монтажных и структурных компонентах

В то время как большая часть разговора об эффективности сосредоточена на самой ячейке, компоненты баланса системы (BOS) - крепления, рельсы, зажимы, крепежи - также влияют на общую производительность системы. Коррозионные отказы алюминиевых или стальных креплений могут привести к смещению, микротрещине и увеличению электрических потерь с течением времени.

Оффшорные и плавающие солнечные установки

Плавающая солнечная энергия является одним из самых быстрорастущих сегментов, с установками на водохранилищах, гидродамбах и теперь открытом океане. Воздействие соленой воды чрезвычайно коррозионно: стандартные алюминиевые сплавы могут промывать в течение нескольких месяцев, а нержавеющая сталь может страдать от коррозии трещин в застойных зонах. Титановый класс 2 (коммерчески чистый) и класс 5 (Ti-6Al-4V) оказались высоко устойчивыми в долгосрочных испытаниях погружения. Такие компании, как Ocean Sun (Норвегия) и Ciel & Терре (Франция) начали указывать титановое оборудование для критических точек соединения в своих конструкциях плавающей платформы.

Легкий Rooftop Racking

На коммерческих крышах каждый килограмм монтажного веса требует структурного усиления. Прочность титана позволяет создавать более тонкие профили и меньше точек крепления по сравнению с алюминием. Учитывая, что на солнечную энергию на крыше приходится примерно 40% глобальных распределенных фотоэлектрических систем, экономия веса может снизить затраты на установку и расширить адресные типы крыш. Хотя титановая стеллажная обработка может стоить в 3-5 раз больше, чем алюминий, ее долговечность и снижение технического обслуживания могут привести к более низкой уравновешенной стоимости энергии (LCOE) в течение 30-летнего срока службы системы в агрессивных средах.

Термическое управление с титановыми теплообменниками

Эффективность солнечных панелей снижается по мере повышения температуры ячеек — обычно на 0,3-0,5% на °C выше 25 °C. Активные системы охлаждения могут смягчить это, но они добавляют паразитов и техническое обслуживание. Титановые теплообменники предлагают решение как для фотоэлектрических, так и для CSP-растений.

Гибридные PV/термальные (PV/T) системы

В системах PV/T за панелью циркулирует жидкость (вода или гликоль) для извлечения отработанного тепла для домашнего горячего водоснабжения или отопления помещений. Титановые теплообменники сочетают коррозионную стойкость (важно с антифризовыми добавками) с высокой прочностью, чтобы выдерживать силы зажима, необходимые для хорошего теплового контакта. Исследования показывают, что замена медных или алюминиевых пластинчатых теплообменников титаном повышает долгосрочную надежность в системах, где уровни рН или хлорида плохо контролируются.

Концентрированные солнечные источники энергии (CSP)

Объекты CSP используют зеркала для фокусировки солнечного света на приемных трубках, содержащих теплопередающую жидкость (HTF) при температурах до 565 ° C. Приемные трубки должны обрабатывать высокий тепловой стресс, окисление и коррозию от HTF (часто расплавленной соли). Титановые сплавы, особенно Ti-6Al-4V и Ti-3Al-2.5V, тестируются в качестве поглотителей и конструкционных материалов для приемников следующего поколения. Их оксидный слой обеспечивает отличную стабильность излучения, уменьшая потери лучистого тепла. Исследование 2021 года в Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы продемонстрировало, что приемники с титановым покрытием улучшили тепловую эффективность на 2,3% по сравнению с обычными нержавеющими сталями Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы, 2021 .

Сравнение с альтернативными материалами

Чтобы понять роль титана, он помогает сравнить его с материалами, с которыми он конкурирует в солнечных системах.

Алюминий дешевле и легче, но страдает от гальванической коррозии при контакте с медными проводниками или креплениями из углеродистой стали. Нержавеющая сталь тяжелее и менее формируема. Титан преодолевает разрыв: он значительно легче стали, почти такой же прочный и предлагает непревзойденную коррозионную стойкость. Первичный барьер - это стоимость, но по мере созревания методов обработки (таких как порошковая металлургия и аддитивное производство), цены на титан снижаются.

Производственные достижения снижают стоимость титана

Высокая стоимость титана традиционно ограничивала его специализированными секторами, однако ряд разработок делают его более жизнеспособным для применения в солнечной энергетике.

Порошковая металлургия (ПМ)

Вместо литья и ковки титановые детали можно прессовать и спекать из порошка. Такой подход в форме почти сетки уменьшает отходы материала (что дорого при использовании титановой губки) и избегает сложной обработки. Несколько поставщиков теперь предлагают титановые крепежи и кронштейны, изготовленные с помощью ТЧ по ценам, конкурентоспособным с высококачественной нержавеющей сталью.

Аддитивное производство (3D-печать)

Селективное лазерное плавление (SLM) и электронное пучное плавление (EBM) позволяют производить сложные титановые детали, такие как плавники теплообменника с внутренними каналами, которые было бы невозможно отлить. Для солнечных установок с низким объемом (например, пользовательские стойки на крыше или компоненты приемника CSP) титан, напечатанный на 3D-принтере, может уменьшить вес на 40% при сохранении прочности.

Переработка и круговая экономика

Титановый лом (как обрабатывающий сварф, так и компоненты с истекшим сроком службы) может быть переработан в новый слиток или порошок с относительно низким потреблением энергии по сравнению с первичным производством. По мере того, как все больше солнечных систем будут включать титан, будет развиваться поток переработки, что еще больше снизит чистые затраты. Международная титановая ассоциация отслеживает эти разработки и выступает за производство титана с замкнутым циклом.

Перспективы будущего: Титан в солнечных технологиях следующего поколения

Заглядывая вперед, титан может играть еще большую роль, поскольку исследователи расширяют границы эффективности и долговечности.

Титан в тандемных солнечных элементах

Тандемные ячейки, которые стекают кремний и перовскит или два разных перовскита, требуют прозрачных проводящих слоев, которые являются химически стабильными. оксид олова индия (ITO) является текущим стандартом, но индий является редким и дорогим. оксид титана, легированный индием (ITiO) и легированный ниобием оксид титана (NTO) появляются в качестве альтернативных прозрачных проводников с высокой подвижностью и низким поглощением. Ранние результаты показывают, что ITiO может соответствовать сопротивлению листа ITO, предлагая лучшую стабильность во влажном воздухе, что имеет решающее значение для долгосрочных критериев производительности NREL.