不用化石燃料冶炼钢铁：研究人员利用太阳能打破工业加热1000°C的障碍
瑞士研究人员开发出一种利用合成石英的太阳能方法，可使工业生产过程的温度达到 1000°C 以上，从而有可能在钢铁和水泥等材料的生产过程中取代化石燃料。瑞士科学家希望利用太阳的热量，而不是燃烧化石燃料来达到冶炼钢铁和烧制水泥所需的温度。这项概念验证研究利用合成石英捕获温度超过1000°C（1832°F）的太阳能，证明了这种方法在为碳密集型工业提供清洁能源方面的潜在作用。有关这项研究的论文于5月15日发表在《设备》（Device）杂志上。
热捕捉器的主要部件是一个石英圆柱体。在实验中，它的温度达到了 1050 摄氏度，并在这种高温下发光。图片来源：苏黎世联邦理工学院/埃米利亚诺-卡萨提
通讯作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的埃米利亚诺-卡萨提（Emiliano Casati）说："为了应对气候变化，我们需要从总体上实现能源的去碳化。人们往往只把电力当作能源，但事实上，大约一半的能源是以热能的形式使用的。"
玻璃、钢铁、水泥和陶瓷是现代文明的核心，是建造从汽车发动机到摩天大楼等一切建筑的基本材料。然而，制造这些材料需要超过 1000°C 的高温，并严重依赖燃烧化石燃料来获取热量。这些行业的能耗约占全球能耗的 25%。研究人员利用太阳能接收器探索了一种清洁能源的替代方法，这种接收器通过成千上万个太阳跟踪镜来集中和制造热量。然而，这种技术很难将太阳能有效地传输到 1000°C 以上的温度。
热捕捉器实验示意图。它由一根石英棒（内部）和一个陶瓷吸收器（外部）组成。太阳辐射从前部进入，热量在后部区域产生。资料来源：Casati E et al.
为了提高太阳能接收器的效率，Casati 转而使用石英等半透明材料，这种材料可以捕获阳光--这种现象被称为热捕获效应。研究小组制作了一个热捕获装置，将合成石英棒固定在不透明的硅片上作为能量吸收器。当他们将该装置暴露在相当于136个太阳发出的光的能量通量下时，吸收板的温度达到1050°C（1922°F），而石英棒的另一端则保持在600°C（1112°F）。
Casati说："以前的研究只能证明170°C（338°F）以下的热捕获效应。我们的研究表明，太阳热捕集不仅在低温下有效，而且远高于1000°C。这对于展示其在实际工业应用中的潜力至关重要。"
研究小组还利用传热模型模拟了石英在不同条件下的热捕集效率。模型显示，在相同性能的情况下，热捕集可以在较低的浓度下达到目标温度，或者在相同浓度的情况下达到较高的热效率。
Casati和他的同事们目前正在优化热捕获效应，并研究这种方法的新应用。到目前为止，他们的研究取得了可喜的成果。通过探索其他材料，如不同的液体和气体，他们能够达到更高的温度。研究小组还注意到，这些半透明材料吸收光或辐射的能力并不局限于太阳辐射。
"能源问题是我们社会生存的基石，"Casati 说。"太阳能很容易获得，而且技术已经存在。为了真正推动行业采用，我们需要大规模地展示这项技术的经济可行性和优势。"
编译来源：ScitechDaily
