Sandia National Laboratories gebruikt zijn zonnetoren om de impact van extreme temperatuurveranderingen op materialen te beoordelen.

De testen, nu in hun tweede jaar, profiteer van het vermogen van Sandia's National Solar Thermal Test Facility om een ​​zeer snelle temperatuurstijging te simuleren, gevolgd door een even snelle daling. Het testen is voor de luchtmacht en duurt nog zeker een jaar.

Onderzoekers plaatsten een monster van 4 bij 4 inch van composietmateriaal, een bon genoemd, in een testkamer, stel het dan bloot aan een uitbarsting van intense hitte. Verschillende coupons zijn gemaakt van verschillende soorten materialen.

Speciale ovens kunnen de gewenste temperaturen bereiken, maar ovens kunnen niet snel opwarmen of afkoelen. "En het is moeilijk om gewoon een coupon er heel snel in te steken en er dan weer uit te halen, " Testingenieur Josh Christian zei. "Onze faciliteit is echt goed in het bieden van een snelle aanloopsnelheid voor deze verwarmingscurves, en we kunnen ook een slepende curve produceren door onze spiegels zo te bewegen dat de warmte uit het monster wordt verwijderd."

De coupon wordt vlak tegen een wand van een testkamer geplaatst, eigenlijk een doos, tegenover een kwartsvenster dat de warmte doorlaat die door de spiegels wordt geproduceerd. De testen, die ongeveer een kwart van het heliostaatveld gebruiken, kan de warmteniveaus indien nodig wijzigen.

aanvankelijk, schuifluiken voor het raam zijn gesloten. Het zonnetorenteam richt gereflecteerd licht van de heliostaten op een kalibratiepaneel en gebruikt een warmtestroommeter om het vermogen te meten dat het monster zal raken. Dan verplaatsen ze dat gereflecteerde licht op de luiken. Wanneer klaar, de luiken schuiven zeer snel open en dicht om de op het monster benodigde verwarmingscurves te produceren. Tegelijkertijd, een windtunnel met een blazer aan het ene uiteinde dwingt lucht over het monster, simuleren van convectieve koeling. Convectieve koeling heeft invloed op de verwarmingssnelheid, omdat bij convectieve koeling, materialen overleven langer onder intense hitte.

Monster kan meerdere keren worden verwarmd

Onderzoekers kunnen een monster meerdere keren aan hitte onderwerpen om na blootstelling drempels voor materiaalrespons vast te stellen.

"De warmte gaat naar binnen, we sluiten, dat is het einde van de test, Christian zei. "We doen dit herhaaldelijk, 10 tot 30 keer per dag."

Voor en na een toets, een ander Sandia-team controleert het monster met een 3D-scanner, die bepaalt of de door de warmte geproduceerde bellen of textuurveranderingen in het materiaal, zei Christiaan.

Weer een andere groep Sandia-onderzoekers neemt reflectiviteitsmetingen - hoeveel licht wordt gereflecteerd door het oppervlak. Bijvoorbeeld, als een monster 90 procent van het licht absorbeert en 10 procent reflecteert, dan verwarmde 10 procent van het licht het niet. Josh zei dat dat belangrijk is, want in het echte leven, materialen met een hoge reflectiewaarde warmen langzamer op.

Een derde team gebruikt niet-destructieve methoden om na een test in het monster te kijken, controleren op veranderingen onder het oppervlak, wat vooral belangrijk is voor complexe structuren gemaakt van verschillende materialen.

Testen gaat het hele jaar door

Tests gaan het hele jaar door, maar het Air Force-programma test niet elke dag omdat de zonnetoren ook tests doet voor andere programma's. Vorige zomer, bijvoorbeeld, Christian schatte dat er 30 tot 40 dagen aan het project werden besteed. Tests gaan door in de winter, maar de testperiodes zijn korter vanwege de hoek van de zon ten opzichte van de spiegels.

"Voor onze vestiging dit is een belangrijke test die routine begint te worden omdat we honderden monsters hebben getest, " zei Christiaan, die acht jaar bij de toren heeft gewerkt.

Het project heeft ook geleid tot verbeteringen bij de National Solar Thermal Test Facility, inclusief een nieuw volgalgoritme voor de heliostaten en voortschrijdende karakteriseringstechnieken voor warmtefluxen, waarmee onderzoekers de warmte die op monsters wordt toegepast, kunnen kwantificeren. Het kennen van de exacte toegepaste warmte is van cruciaal belang om te begrijpen onder welke omstandigheden materialen kunnen overleven, en onderzoekers ontwikkelden nieuwe tools om die analyse uit te voeren.

De spiegels bewegen met de zon mee om een ​​gereflecteerde vlek op de zonnetoren te houden, "maar we ontdekten dat op bepaalde tijden van het jaar en tijden van de dag, de plek zou niet zijn waar we hem hadden voorspeld vanwege onvolkomenheden in de manier waarop de spiegels werden geïnstalleerd, "zei Christian. Dus, hij zei, onderzoekers ontwikkelden algoritmen om de tracking te verbeteren, die niet alleen het luchtmachtproject helpt, maar ook de toren van Sandia in het algemeen en mogelijk andere faciliteiten die heliostaten gebruiken, zoals sites die stroom opwekken.

De toren heeft tests gedaan voor andere instanties, inclusief NASA, en andere projecten voor de luchtmacht. Sandia is vorig jaar begonnen met testen voor dit project. "Nu is het zowel aan onze kant als aan hun kant een succes geworden, ' zei Christiaan.