Nowa technologia opracowana przez naukowców z Kunming University of Science and Technology oraz Yunnan Yuntong Zinc dotyczy przemysłowego reaktora Siemensa wyposażonego w cztery pierścienie i 80 prętów. W skrócie? Jest to piec do wytwarzania bardzo czystego polikrzemu metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej, którego to wymaga fotowoltaika i elektronika. Głównym celem badaczy było osiągnięcie lepszej jednorodności rozkładu temperatury między środkiem a powierzchnią prętów krzemowych, bo to bezpośrednio przekłada się na jakość finalnego produktu. Dlatego też osiągnięcie stanowi znaczący postęp w porównaniu z dotychczas stosowanymi mniejszymi urządzeniami.
Drobna zmiana w ogrzewaniu może przesunąć granice opłacalności fotowoltaiki
Naukowcy wykorzystali oprogramowanie Comsol do przeprowadzenia zaawansowanej analizy numerycznej. Opracowany system łączy w sobie trzy kluczowe elementy: model ogrzewania Joule’a, model rozkładu prądu elektrycznego oraz model przenoszenia ciepła. Wyniki wskazują, że system przewiduje zachowanie termiczne i elektryczne z błędem względnym mniejszym niż 10 procent, a to samo w sobie stanowi poziom dokładności wystarczający do praktycznego zastosowania w przemyśle.
Czytaj też: Energetyczny przełom? To tak, jakby do teleskopu Hubble’a dołożyć mikroskop elektronowy
Klucz tkwi w przejściu z ogrzewania prądem stałym na przemienny i w doborze częstotliwości tak, by wykorzystać efekt naskórkowy do wyrównania profili cieplnych przez przekrój pręta. Model symuluje obróbkę cieplną U-kształtnych prętów krzemowych, uwzględniając skomplikowane interakcje wielopierścieniowe, które są charakterystyczne dla wielkoskalowych pieców redukcyjnych. Jest to pierwsza tak zaawansowana analiza dla reaktorów w tak dużej skali produkcyjnej.
Badania potwierdziły korzyści płynące z ogrzewania prądem przemiennym, który to dzięki efektowi naskórkowemu znacząco poprawia jednorodność temperatury w prętach polikrzemowych. Najciekawszym odkryciem była identyfikacja silnej interakcji między częstotliwością a średnicą prętów w zakresie od 5 kHz do 200 kHz. Powyżej 300 kHz różnica temperatur bowiem stabilizuje się, a to daje inżynierom jasne wytyczne do optymalizacji procesu. Równanie regresji opracowane przez zespół przewiduje zachowanie systemu z przeciętnym błędem względnym wynoszącym jedynie 4,62 procenta. Tak wysoka dokładność czyni model praktycznym narzędziem dla inżynierów projektujących nowe linie produkcyjne.
Wyzwania i rewolucyjny potencjał
Warto jednak powiedzieć głośno, czego ta praca nie obiecuje. Samo “przestawienie” się na AC wymaga źródeł zasilania zdolnych do pracy w wyższych częstotliwościach, kontroli zakłóceń elektromagnetycznych i kalibracji pod konkretne geometrie prętów oraz sam osprzęt. Modelowanie daje wiarygodny i praktyczny przewodnik strojenia parametrów, ale każda fabryka będzie musiała przejść własny cykl walidacji, żeby dopasować parametry do swoich ograniczeń mechanicznych i elektrycznych. To wciąż atrakcyjna droga, bo nie wymusza kosztownych przeróbek reaktora, tylko bardziej inteligentne sterowanie tym, co już jest.
Czytaj też: Darmowy prąd z byle wietrzyku. Niemcy zakręcili turbiną tak, jak nikt wcześniej
Dlaczego to ma znaczenie tu i teraz? Ano dlatego, że energochłonność reaktora Siemensa wciąż pozostaje jedną z największych pozycji kosztowych w łańcuchu fotowoltaiki. Jeśli jednorodność temperatury poprawia przyrost i obniża odsetek wad, zyski na etapie produkcji są podwójne. Dlatego też wyniki badań opublikowane w czasopiśmie Results in Engineering mogą mieć istotne znaczenie dla całej branży solarnej. Poprawa jednorodności temperatury w reaktorach Siemensa może przełożyć się na zwiększenie efektywności energetycznej całego procesu produkcyjnego. Co jednak przyniesie przyszłość? Odpowie na to tylko czas.