瑞士研究人員開發出一種利用合成石英的太陽能方法，可使工業生產過程的溫度達到1000°C 以上，從而有可能在鋼鐵和水泥等材料的生產過程中取代化石燃料。瑞士科學家希望利用太陽的熱量，而不是燃燒化石燃料來達到冶煉鋼鐵和燒製水泥所需的溫度。這項概念驗證研究利用合成石英捕獲溫度超過1000°C（1832°F）的太陽能，證明了這種方法在為碳密集型工業提供清潔能源方面的潛在作用。有關這項研究的論文於5月15日發表在《設備》（Device）雜誌上。

熱捕捉器的主要部件是一個石英圓柱體。在實驗中，它的溫度達到了1050 攝氏度，並在這種高溫下發光。圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院/埃米利亞諾-卡薩提

通訊作者、瑞士蘇黎世聯邦理工學院的埃米利亞諾-卡薩提（Emiliano Casati）說：「為了應對氣候變化，我們需要從整體上實現能源的去碳化。人們往往只把電力當作能源，但事實上，大約一半的能源是以熱能的形式使用的。

玻璃、鋼鐵、水泥和陶瓷是現代文明的核心，是建造從汽車引擎到摩天大樓等一切建築的基本材料。然而，製造這些材料需要超過1000°C 的高溫，並嚴重依賴燃燒化石燃料來獲取熱量。這些產業的能耗約佔全球能耗的25%。研究人員利用太陽能接收器探索了一種清潔能源的替代方法，這種接收器透過成千上萬個太陽追蹤鏡來集中和製造熱量。然而，這種技術很難將太陽能有效地傳輸到1000°C 以上的溫度。

熱捕捉器實驗示意圖。它由一根石英棒（內部）和一個陶瓷吸收器（外部）組成。太陽輻射從前部進入，熱量在後部區域產生。資料來源：Casati E et al.

為了提高太陽能接收器的效率，Casati 轉而使用石英等半透明材料，這種材料可以捕捉陽光–這種現象稱為熱捕獲效應。研究團隊製作了一個熱捕獲裝置，將合成石英棒固定在不透明的矽片上作為能量吸收器。當他們將此裝置暴露在相當於136個太陽發出的光的能量通量下時，吸收板的溫度達到1050°C（1922°F），而石英棒的另一端則保持在600°C（1112 °F）。

Casati說：”先前的研究只能證明170°C（338°F）以下的熱捕獲效應。我們的研究表明，太陽熱捕集不僅在低溫下有效，而且遠高於1000°C。這對於展示其在實際工業應用中的潛力至關重要。

研究團隊也利用傳熱模型模擬了石英在不同條件下的熱捕集效率。模型顯示，在相同性能的情況下，熱捕集可以在較低的濃度下達到目標溫度，或在相同濃度的情況下達到較高的熱效率。

Casati和他的同事目前正在優化熱捕獲效應，並研究這種方法的新應用。到目前為止，他們的研究取得了可喜的成果。透過探索其他材料，如不同的液體和氣體，他們能夠達到更高的溫度。研究小組也注意到，這些半透明材料吸收光或輻射的能力並不限於太陽輻射。

“能源問題是我們社會生存的基石，”Casati 說。 “太陽能很容易取得，而且技術已經存在。為了真正推動產業採用，我們需要大規模地展示這項技術的經濟可行性和優勢。”

編譯來源：ScitechDaily