الطاقة الشمسية المركزة في مختبر الطاقة الوطني
|
يعد المختبر الوطني للطاقة المتجددة NREL المختبر الأمريكي الوحيد المكرس فقط لخدمة أبحاث الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة. وكجزء من برنامج دعم الأعمال الصغيرة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يربط المختبر الوطني بين مبتكري الطاقة النظيفة في جميع أنحاء البلاد وكبار العلماء والمهندسين والمحللين، فضلا عن مرافق البحوث عالمية المستوى التي تركز على الخلايا الكهروضوئية PV، والطاقة الشمسية المركزة CSP، وتكامل النظم، وتوازن النظم BOS.
ويتطلب الجيل القادم من محطات الطاقة الشمسية المركزة استخدام سوائل ذات درجة حرارة عالية ــ مثل الأملاح المنصهرة ــ تراوح بين 550 و750 درجة مئوية لتخزين الحرارة وتوليد الكهرباء. إلا أنه في ظل درجات الحرارة المرتفعة تلك تتسبب الأملاح المنصهرة في تآكل السبائك شائعة الاستخدام في المبادلات الحرارية والأنابيب وأوعية التخزين الخاصة بأنظمة الطاقة الشمسية المركزة. ومن ثم يهدف البحث الجديد الذي ينفذه المختبر الوطني للطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلى الحد من مستويات التآكل في محطات الطاقة الشمسية المركزة باستخدام الطلاءات القائمة على النيكل.
ويقوم المختبر الوطني بتطوير وتوصيف المواد والطلاءات للوحدات العاكسة والممتصة المستخدمة في محطات الطاقة الشمسية المركزة. وقال جوني جرين مدير العلوم الميكانيكية والهندسة الحرارية في المختبر"نحن متحمسون جدا بخصوص ما يمكن لهذا البحث توفيره من طلاءات مقاومة للتآكل وقابلة للاستخدام في محطات الطاقة الشمسية المركزة مما يمكن أن يحسن الجدوى الاقتصادية لهذه النظم".
وتمكن محطات الطاقة الشمسية المركزة ذات التخزين الحراري منخفض التكلفة المرافق المختلفة من توفير الكهرباء متى ما دعت الحاجة، ما يساعد على دعم موثوقية الشبكة. وعادة ما تستخدم الأملاح المنصهرة في كل من سائل نقل الحرارة وفي تخزين الطاقة الحرارية لأنها يمكن أن تتحمل درجات الحرارة العالية وأن تحتفظ بالحرارة الشمسية التي تم جمعها لعدة ساعات.
وكي تستخدم تجاريا تركيبات الملح المنصهر التي تحتوي على كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم وكلوريد المغنيسيوم يجب أن يكون معدل التآكل في صهاريج التخزين بطيئا ــ أقل من 20 ميكرومترا في السنة ــ وذلك حتى يمكن لمحطة توليد الطاقة الشمسية المركزة أن تظل عاملة لمدة 30 عاما. وقد تآكلت سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ غير المطلية عند اختبارها في كلوريد منصهر بسرعة 4500 ميكرومتر في السنة. ويمكن أن يكمن الحل لمشكلة التآكل هذه في البحوث التي أجرتها واحدة من علماء المختبر الوطني للطاقة المتجددة "الدكتورة جوديث جوميز فيدال" التي نشرت في مجلة "نتشر" لتحلل المواد الطبيعية في مقال حمل عنوان "طلاءات مقاومة للتآكل في الكلوريد المنصهر لأغراض التخزين الحراري في تطبيقات الطاقة الشمسية المركزة".
والهدف من بحوث الطلاءات الواقية هو تطوير الطلاءات التي تحمي الطبقة الأساسية "مواد الجدران أو الأنابيب" طوال عمر محطة توليد الكهرباء البالغ 30 سنة. وقد قامت الدكتورة جوديث جوميز فيدال من المختبر الوطني للطاقة المتجددة بطلاء الفولاذ المقاوم للصدأ بأنواع مختلفة من الطلاءات القائمة على النيكل، التي تستخدم عادة للحد من الأكسدة والتآكل. وقد أظهر أحد هذه الطلاءات ــ ويحمل الصيغة الكيميائية NiCoCrAlYTa ــ أفضل أداء حتى الآن، حيث حد من معدل التآكل إلى 190 ميكرومترا في السنة وهو معدل لا يزال بعيدا عن المستهدف ولكنه يمثل تحسنا كبيرا بنسبة انخفاض 96 في المائة في معدل التآكل مقارنة بالفولاذ غير المطلي. وقد خضع هذا الطلاء الخاص لأكسدة مسبقة على مدى 24 ساعة تم خلالها تشكيل طبقة موحدة وكثيفة من أكسيد الألمنيوم التي عملت على زيادة حماية الفولاذ المقاوم للصدأ من التآكل.
وقالت الدكتورة جوديث جوميز فيدال المتخصصة في الهندسة المعدنية وهندسة المواد: "إن استخدام الطبقة السطحية الواقية يعد واعدا جدا للحد من التآكل في الأملاح المنصهرة، ولا سيما بالنسبة لتلك الأسطح المعرضة للبخار المحتوي على الكلور. ومع ذلك فإن معدلات التآكل لا تزال مرتفعة إلى حد كبير بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية المركزة. وتسلط هذه الجهود الضوء على أهمية اختبار متانة المواد في تطبيقات الطاقة الشمسية. وهناك حاجة إلى المزيد من جهود البحث والتطوير لتحقيق مستوى التآكل المستهدف المطلوب، التي يمكن أن تشمل الجمع بين حماية الأسطح والتحكم الكيميائي في الملح المنصهر والجو المحيط".
وسوف تتطلب الاختبارات الإضافية تقييم الطلاء في ظل الدورات الحرارية وبالتعرض إلى الأجواء المحتوية على الأكسجين لزيادة قدرة الأكسدة في الأنظمة. حيث تضمن إضافة الأوكسجين تشكيل الطبقات الواقية التي يمكنها إعادة التشكل في وجود الأكسجين إذا ظهرت تشققات أثناء التشغيل. وقد نشرت جوديث غوميز فيدال أخيرا أعمالا أخرى كانت فيها طبقات أكسيد الألمنيوم هذه قادرة على النمو مع البقاء ملتصقة بالسطح في وجود الهواء أثناء تعريض العينات للدورات الحرارية.
وقد تم تمويل هذا البحث في إطار مبادرة "صن شوت" التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية وهي مبادرة وطنية تسعى إلى خفض تكلفة الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية ودعم نشر استخدامات الطاقة الشمسية. وتهدف المبادرة إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى مصدر كهرباء منخفض التكلفة ومتاح لجميع الأمريكيين من خلال التركيز على جهود البحث والتطوير بالتعاون مع الشركاء من القطاعين العام والخاص.
ويعد المختبر الوطني للطاقة المتجددة NREL المختبر الأمريكي الرئيسي لوزارة الطاقة الأمريكية في مجال أنشطة البحث والتطوير الخاصة بالطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة. وتتولى تشغيل المختبر لمصلحة وزارة الطاقة مؤسسة التحالف من أجل الطاقة المستدامة المحدودة.