Højtemperatursensorteknologier for at øge kraftværkets effektivitet

Sensorteamet på DOE's National Energy Technology Laboratory arbejder på sensorteknologier for at muliggøre indlejret gassensing ved høj temperatur. Teamets mål er at udvikle nye materialer med store optiske responser og højtemperaturstabilitet til integration med optiske sensorplatforme.

Barske miljøforhold ved høje temperaturer er relevante for en bred vifte af avancerede fossile energianvendelser, herunder fast oxid brændselsceller, gasturbiner, og avancerede forbrændingssystemer. Realtidsovervågning af kritiske procesparametre kan påvirke eksisterende kraftværker betydeligt ved at øge effektiviteten og reducere emissionerne. Det vil også tilskynde til en vellykket indførelse af næste generation af fossile brændstoffer-baserede elproduktionsteknologier. Til miljøer med høje temperaturer, optiske sensorteknologier giver fordele i forhold til alternative kemi-resistive gassensorer, som er begrænset af et behov for elektriske ledninger til den indlejrede placering og ustabile elektriske kontakter og forbindelser.

Gennem en kombination af teoretiske simuleringer og eksperimenter, holdet har demonstreret, at transparente ledende oxider såsom Al-doteret ZnO viser betydeligt løfte om højtemperatur optisk gassensing i det nær-infrarøde (IR) bølgelængdeområde. For denne unikke klasse af materialer, elektrisk ledningsevne kan være direkte forbundet med nær-IR optiske absorptionsfunktioner, muliggør direkte optisk transduktion af de mere almindeligt undersøgte kemi-resistive sensingsresponser. I tilfælde af nanopartikel-baserede film, en fri elektronresonans giver anledning til et skarpt absorptionstræk i nær-IR. Til dato, forskere har demonstreret nyttige sanseresponser ved temperaturer, der nærmer sig 700 °C ved hjælp af denne tilgang. Holdet mener, at højere temperaturer er opnåelige i fremtiden gennem identifikation af transparent ledende oxidadfærd i doterede varianter af højere temperaturstabile oxidsystemer. En nylig artikel offentliggjort i Thin Solid Films, 539 (2013) 327-336, diskuterer en demonstration af konceptet for det Al-dopede ZnO-system.

En ikke-foreløbig patentansøgning på konceptet blev også indgivet den 26. juni, 2013 (U.S. 13, 927, 223).