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L’avenir est radieux pour le four solaire à haut débit de NREL

Innovation à toute vitesse dans le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), un laboratoire Four solaire à haut débit (HFSF) est toujours remarquable pour faciliter continuellement la recherche sur l’enveloppe depuis 1989.

Comme certaines fabrications de super-héros-bandes dessinées, le four peut fournir de la chaleur à partir de 2500 soleils pour faire fondre un trou à travers de l’acier solide en moins d’une minute. Il est utilisé pour détruire les déchets toxiques, créer de l’hydrogène à partir de l’eau et développer des applications pour la défense nucléaire.

En pratique, un four optique de 10 kilowatts utilise la lumière du soleil concentrée pour tester des processus ou des applications à haute température qui nécessitent des vitesses de chauffage élevées en utilisant la concentration solaire.

Il est utilisé depuis 30 ans par les universités, les chercheurs du NREL, l’industrie privée et les agences fédérales pour des tests solaires permanents. Et un millénaire obsédé par la technologie, les récentes mises à niveau du matériel HFSF contribuent à maintenir une demande soutenue parmi les chercheurs. Avec l’accès à tout ce soleil du Colorado depuis la lune au-dessus du campus de NREL, l’avenir est prometteur pour le four.

Responsable HFSF et ingénieur de recherche Judy Netter il regarde en arrière avec fierté et en avant avec excitation.

«Au cours des 30 dernières années, nous avons aidé un certain nombre de partenaires industriels – de l’hydrogène à l’aviation en passant par l’énergie solaire. Nous avons été ravis de voir l’impact de nos recherches sur des industries aussi diverses», a déclaré Netter, ingénieur de recherche chez NREL.


HFSF soutient la recherche et la recherche et développement primés 100.

  • Le chercheur Greg Glatzmaier a inventé un procédé qui utilise la chaleur solaire pour fabriquer du carbure de silicium, une poudre céramique très dure utilisée pour fabriquer des roulements, des produits d’étanchéité et des produits d’étanchéité. Le concept a reçu le prix R&D 100 en 1995;
  • Les chercheurs Gary Jorgensen, Allan Lewandowski, Carl Bingham et Netter ont développé le système météorologique ultra-accéléré primé R&D 100, localisé et testé à HFSF.


Le HFSF a été conçu et construit au NREL – alors le Solar Energy Research Institute – pour étendre la recherche en laboratoire afin d’inclure la lumière solaire concentrée.

«Lorsque nous avons décidé de construire le four, nous voulions le rendre unique, pas seulement reproduire ce que les autres faisaient. Donc, l’une des choses que j’ai commencé à rechercher était l’optique brute, qui peut permettre des concentrations très élevées de lumière solaire ou autre. sources lumineuses », a déclaré Lewandowski, un ancien ingénieur principal du NREL. « Une condition requise est que vous ayez besoin d’un rapport distance focale / diamètre plus grand – ou f / D – pour que votre hub principal tire pleinement parti des optiques secondaires – dans notre cas, ce sont principalement des dispositifs réfléchissants. Si vous avez un hub principal avec un hub plus petit et plus typique , f / D, alors vous pouvez atteindre des pics de concentration élevés, mais cette concentration se décompose rapidement en déplaçant le point focal hors axe.Cependant, si vous avez un f / D plus élevé, la dégradation est moins problématique Cela signifie que vous pouvez aller de plus en plus hors axe et encore atteindre des concentrations significatives.

« La conception hors axe était une caractéristique unique du four solaire. Je ne connais aucun autre four qui ait fait cela à l’époque. L’avantage était donc qu’aucune lumière frappant le moyeu n’était ombragée. Pour tous les systèmes de support en tournée, quelle que soit l’expérience. , nous n’avions pas à nous soucier de leur taille: aucune lumière provenant de l’expérience n’atteindrait le matériel.

«La conception hors axe nous a également permis de placer le point focal du système à une hauteur de travail appropriée pour les scientifiques, au lieu d’avoir à utiliser une petite tour pour le soutien et l’accès», a-t-il poursuivi.

Lockheed a «fait don» du support, du lecteur, de la structure et des commandes à partir d’un stock de pièces de son usine de Littleton.Lockheed a fabriqué les héliostats originaux pour le projet Solar One CSP en Californie et ce matériel faisait partie de cette production. a travaillé là-bas, puis est passé à NREL. « 

<< La conception hors axe, la longue distance focale et le rapport de diamètre sont adaptés pour l'utilisation de concentrateurs secondaires. Notre objectif ultime était d'étudier l'application de concentrations solaires très élevées de 2 000 à 46 000 soleils. L'avantage d'un four solaire est qu'il pourrait produire des vitesses de chauffage élevées capables de en une fraction de seconde, ils atteignent environ 2 500 degrés Celsius », a déclaré Carl Bingham, un ancien ingénieur HFSF, NREL. J'ai contrôlé le four et j'ai fait les mesures. La conception a été réalisée par Al Lewandowski. Je travaillais alors dans le groupe "Bâtiments" et cela semblait être un projet intéressant. Cela s'est avéré très intéressant parce que nous avons fait des centaines d'expériences là-bas. Ce n'était pas juste un projet à long terme - nous avons essayé nous prouvons ce que vous pouvez faire avec une lumière solaire concentrée. "

En 30 ans de fonctionnement du four, HFSF a vu des centaines de tests planifiés et réalisés avec des clients et du personnel de plusieurs disciplines. Il est impliqué dans la recherche et le développement de produits et les licences de brevets primés de R&D 100.

«J’ai commencé à utiliser HFSF vers 1996, lorsque j’ai commencé à travailler à CU. Ma première subvention était un contrat de sous-traitance du NREL pour étudier la synthèse de matériaux à haute température – c’était un petit don de 10 000 $», a déclaré Alan Weimer, professeur. de génie chimique de l’Université du Colorado-Boulder (CU). «Nous avons fait de la chimie de réduction carbothermique. Ce n’était pas trop important; cela n’a pas très bien fonctionné, mais cela a établi notre relation avec Al [Lewandowski] et Carl [Bingham]. Cela a conduit à plus de 20 ans de recherche conjointe NREL-CU à HFSF. Par exemple, nous avons été financés par le programme DOE EERE Hydrogen pour essentiellement «craquer» ou décarboner le gaz naturel – pour diviser le méthane en suie et hydrogène.

« Nous avons également construit un réacteur solaire sur un glissement de terrain ici à CU. Il était très bien instrumenté pour la température et les flux de chaleur. Nous l’avons amené au NREL, l’avons placé dans une usine HFSF et avons mené des expériences là-bas pour démontrer une partie de notre clivage chimique de l’eau », a-t-il poursuivi. Weimer. «Dans notre travail le plus récent avec Judy Netter, nous avons montré une production continue d’hydrogène en divisant l’eau au soleil dans un four à l’aide de réactions d’oxydoréduction – ce qui est un travail assez important.

«Nous avions un premier projet de recherche sur des matériaux avancés et nous avons été autorisés à suggérer quelles idées étaient les plus prometteuses», a déclaré Bingham.

« [Former NREL researcher] Roland Pitts a conçu une chambre à vide avec une fenêtre en quartz pour laisser entrer la lumière du soleil concentrée de 2 500 soleils. En collaboration avec Clark Fields, professeur de chimie à l’Université du nord du Colorado, nous avons étudié les matériaux supraconducteurs, les couches minces de diamant, les revêtements en acier inoxydable et la synthèse du carbure de tungstène.

«Nous avons testé le vitrage pour les capteurs solaires, même lorsque les capteurs solaires étaient un gros problème. Plusieurs fois, le vitrage s’estompait en raison de l’exposition aux rayons ultraviolets et devrait être remplacé. Nous avons donc testé différents types de plastiques avec une lumière ultraviolette plus concentrée pour déterminer leur C’était la base en 2009 Prix ​​de recherche et développement 100 pour un système météo ultra-accéléré. « 

«La preuve du concept du système de temps ultra-accéléré a été réalisée en utilisant HFSF et l’un des miroirs ultraviolets spécialisés qui réfléchissent la lumière sur les échantillons. Nous avons reçu un brevet pour cette procédure. De là, deux concentrateurs ultraviolets différents ont été développés et l’autre a remporté le prix. pour R&D 100 », a déclaré Netter.

« Nous avons développé un système météorologique ultra-accéléré avec un groupe de scientifiques russes qui ont déjà travaillé sur la recherche sur les armes nucléaires dans le cadre d’un programme international de prévention de la prolifération », a ajouté Bingham.

«Mes premières recherches sur un four solaire impliquaient le traitement et la décomposition d’une gamme de produits chimiques dangereux appelés dioxines, en utilisant une combinaison de lumière solaire et de températures élevées d’environ 1 100 ° C», a-t-il déclaré. Glatzmaier, Chercheur en génie chimique, NREL. «Lorsque nous avons lancé cette entreprise, le four n’existait pas. Je me suis rendu au champ de tir de fusées White Sands près de Las Cruces, au Nouveau-Mexique, car il y avait un four solaire que nous avions contracté. En raison du succès des premiers tests, le DOE a reconnu qu’il y avait différentes choses. que vous pouvez travailler avec la lumière du soleil en plus de produire de l’électricité. Et cela faisait partie de la motivation pour construire HFSF. « 

«J’ai utilisé le four solaire dans le développement de récepteurs de particules dans le cadre du DOE Initiative SunShot. Cela a permis de vérifier l’efficacité de notre mécanisme de conception en termes de nécessité de distribuer le flux solaire sur la surface du récepteur », a-t-il déclaré. Zhiwen Ma, Chercheur en mécanique, NREL. «Dans un autre projet, nous avons fait équipe avec des étudiants de la Colorado Mining School pour apprendre stockage d’énergie thermochimique. Nous avons conçu et testé un récepteur-réacteur solaire thermochimique pour chauffer des particules thermochimiques comme moyen de stocker l’énergie solaire. « 

Ajoutée Emily Warren, chercheur en ingénierie des semi-conducteurs, NREL: «Nous avons utilisé HFSF pour développer des matériaux pour les générateurs thermoélectriques solaires ou STEG, dans le cadre de Agence pour les projets de recherche avancée – Énergie-projet financé. STEG est un moteur thermique solide capable de convertir directement la lumière du soleil en électricité grâce à un effet thermoélectrique. Ce projet – générateurs thermoélectriques solaires à haute température et à haut rendement – était une collaboration entre NREL, la Colorado School of Mines et le Jet Propulsion Laboratory. Nous avons testé des absorbeurs sélectifs et des composants thermoélectriques en utilisant une option d’écran solaire personnalisée, une chambre à vide et des optiques de mise en forme de l’air pour permettre de tester le matériau à 1000 ° C. « 

HFSF fournit une mine de recherches, y compris la participation de NREL au DOE Hydrogène projet, où un four est utilisé pour diviser l’eau à 1 300 ° C afin de produire de l’hydrogène pour produire de l’électricité.

Le four a également un potentiel pour la recherche future d’exploration spatiale, y compris l’utilisation d’énergie solaire concentrée pour l’exploitation minière spatiale, la décomposition de composants pour produire divers produits chimiques tels que le dioxyde de carbone et l’oxygène, et les tests de boucliers thermiques pour les engins spatiaux.