Πώς να προβλέψετε τη διάρκεια ζωής των υλικών για τις ηλιακές τεχνολογίες
Η υπερθέρμανση του πλανήτη και η κλιματική αλλαγή είναι πιθανώς οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα, γεγονός που καθιστά αναγκαία τη μείωση του ανθρωπογενούς CO2 εκπομπές στην ατμόσφαιρα. Στο πλαίσιο της αυξανόμενης ενεργειακής ζήτησης, πρέπει στη συνέχεια να αναπτυχθούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα, και μεταξύ αυτών, η ηλιακή ενέργεια αποτελεί βιώσιμη επιλογή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αγορά των ηλιακών τεχνολογιών αναπτύσσεται τα τελευταία είκοσι χρόνια.
Ωστόσο, η ανάπτυξή τους εξαρτάται από το κόστος της παραγόμενης ενέργειας, το οποίο συνδέεται άμεσα με τη διάρκεια ζωής των υλικών και των εξαρτημάτων. Για να γίνει ένα εργοστάσιο κερδοφόρο, η διάρκεια ζωής στοχεύει να φτάσει περίπου τα 20 με 30 χρόνια. Η παραγωγή ενέργειας των ηλιακών εγκαταστάσεων, είτε φωτοβολταϊκών είτε εγκαταστάσεων συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας (PV ή CSP), επηρεάζεται επίσης από την ηλιακή ακτινοβολία που διατίθεται επί τόπου. Υπάρχει ένα παράδοξο γιατί οι τοποθεσίες στη Γη με τα καλύτερα επίπεδα αυτού του πόρου έχουν επίσης ένα εξαιρετικά επιθετικό περιβάλλον, με πολλούς παράγοντες πίεσης όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, η υπεριώδης ακτινοβολία κ.λπ., που μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής του φυτού.
Όταν αναπτύσσεται μια νέα ηλιακή τεχνολογία, όπως φωτοβολταϊκά πάνελ ή ηλιακοί καθρέφτες για εγκαταστάσεις CSP, είναι απαραίτητο να αξιολογηθεί η διάρκεια ζωής της γρηγορότερα από την αναμονή για πολλά χρόνια που απαιτείται για την υποβάθμιση του υλικού επί τόπου. Ένας τρόπος για να προβλέψουμε την επίδραση ενός παράγοντα τάσης σε ένα υλικό είναι να εκτελέσουμε μια επιταχυνόμενη δοκιμή, συνήθως αυξάνοντας το επίπεδο τάσης ή αυξάνοντας τον αριθμό των κύκλων σε μια εργαστηριακή συσκευή. Οι παράγοντες καταπόνησης που ενδιαφέρουν, και άρα αυτοί που πρέπει να δοκιμαστούν, ανάλογα με τη θέση που εξετάζεται για την εγκατάσταση του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Ο στόχος τέτοιων δοκιμών είναι να προσδιοριστεί είτε ένας νόμος υποβάθμισης είτε ένας συντελεστής επιτάχυνσης της δοκιμής σε σύγκριση με την τοποθεσία ενδιαφέροντος, η οποία μπορεί να οριστεί από την εξίσωση (1):
όπου A είναι ο συντελεστής επιτάχυνσης, ο χρόνος μέχρι την αστοχία επί τόπου και ο χρόνος μέχρι την αποτυχία στη δοκιμή. Καθώς ο χρόνος για την αποτυχία επί τόπου είναι ίσος με τη διάρκεια ζωής και επομένως είναι προφανώς άγνωστος, απαιτείται μια σχέση για τη σύνδεση ενός ποσοτικού προσδιορισμού του επιπέδου άγχους με το χρόνο. Στην περίπτωση των ηλιακών κατόπτρων, αυτή η προσέγγιση είναι σχετικά νέα και επομένως δεν υπάρχει νόμος στη βιβλιογραφία, εξ όσων γνωρίζουμε. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εξετάσαμε άλλους τομείς με μεγαλύτερη ωριμότητα, όπως ηλεκτρονικές συσκευές, πολυμερή υλικά και φωτοβολταϊκά, για να διαμορφώσουμε μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση των νόμων και των μοντέλων των κύριων παραγόντων πίεσης που εφαρμόζονται στους καθρέφτες.
Η θερμοκρασία είναι ο πιο συνηθισμένος παράγοντας πίεσης επειδή ενισχύει τον ρυθμό αποικοδόμησης πολλών φυσικών ή χημικών διεργασιών. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται συνήθως είναι η σχέση Arrhenius που περιγράφεται με την εξίσωση (2):
όπου είναι η κινητική σταθερά, ο συντελεστής συχνότητας, η φαινομενική ενέργεια ενεργοποίησης, η σταθερά του τέλειου αερίου και η θερμοκρασία. Η κινητική σταθερά συνδέεται με το χρόνο μέσω του ρυθμού αντίδρασης και έτσι μπορεί να προσδιοριστεί για απλές εντολές αντίδρασης. Στη συνέχεια, ο συντελεστής επιτάχυνσης της θερμοκρασίας μπορεί να υπολογιστεί συνδυάζοντας τις εξισώσεις (1) και (2) για να ληφθεί η εξίσωση (3):
όπου η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της επιταχυνόμενης δοκιμής είναι υψηλότερη από τη μέση θερμοκρασία επί τόπου. Αυτή η σχέση κάνει να φαίνεται η παράμετρος που εξαρτάται από τον μηχανισμό υποβάθμισης. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή του μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το υλικό που μας ενδιαφέρει, αλλά και με το εύρος θερμοκρασίας. Αυτή η παράμετρος πρέπει να προσδιορίζεται για κάθε νέο σύστημα πριν προσπαθήσετε να κάνετε μια πρόβλεψη διάρκειας ζωής. Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας δοκιμές σε διάφορα επίπεδα θερμοκρασίας, που επιλέγονται σε ένα εύρος, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας της επιταχυνόμενης δοκιμής που εκτελείται για την πρόβλεψη διάρκειας ζωής.
Τα μοντέλα θα πρέπει να βασίζονται σε μια φυσικοχημική διαδικασία για την αποφυγή λαθών λόγω αλλαγών στον μηχανισμό αποδόμησης, ωστόσο, αυτό είναι ένα αρκετά περίπλοκο έργο, επομένως τα περισσότερα από τα διαθέσιμα μοντέλα είναι εμπειρικά. Τα εμπειρικά μοντέλα μπορούν να είναι απολύτως κατάλληλα για τη συσκευή και τις συνθήκες που επέτρεψαν την καθιέρωσή τους, ωστόσο, θα πρέπει να εφαρμόζονται προσεκτικά σε άλλα συστήματα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο έχει γραφτεί και μια κριτική ανάλυση των διαφορετικών μοντέλων σχετικά με τους ηλιακούς καθρέφτες. Αυτή η εργασία έχει πραγματοποιηθεί για τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, την υγρασία, το νερό και τους χημικούς παράγοντες καταπόνησης, η προβληματική της σύζευξης όλων αυτών των μοντέλων μαζί για να ληφθεί μια παγκόσμια έκφραση έχει επίσης αντιμετωπιστεί σύντομα.
Ελπίζουμε ότι αυτή η εργασία μπορεί να βοηθήσει την κοινότητα να αξιολογήσει την ανθεκτικότητα των ηλιακών υλικών και εξαρτημάτων με καλύτερο τρόπο για να βελτιώσει τις επιδόσεις τους.
