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高溫光熱電站的材料難題

到目前為止，光熱電站一般仍使用導熱油或熔鹽作為傳儲熱介質，系統(tǒng)溫度因此被限制在550攝氏度左右，效率也因此被限制。

更高溫度運行的光熱電站則可以提高熱電轉化效率，降低發(fā)電成本。更高溫的光熱電站設計也因此成為致力于削減成本和拓寬光熱市場機會的研究者們的關鍵研究領域。

美國BraytonEnergy公司，國家可再生能源實驗室(NREL)和桑迪亞(Sandia)實驗室等機構都在為此努力，他們致力于研發(fā)出溫度在700攝氏度以上的新型光熱電站設計。

這三個團隊正在競爭能源部2500萬美元的資金扶持，該筆資金用于支持建立一個高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)示范項目。

這種新型發(fā)電系統(tǒng)即超臨界二氧化碳循環(huán)光熱發(fā)電技術，其運行溫度高達700攝氏度以上，可實現(xiàn)更高效率和更低的發(fā)電成本，且理論上已經(jīng)被證明是可行的。但現(xiàn)實中其面臨的一個難題即是材料問題。

研究人員表示，高溫超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)光熱電站的熱電轉換效率比傳統(tǒng)電站可提高20%以上。這意味著可將光熱電站的平準化電力成本(LCOE)降低約五分之一。

但更高溫的光熱電站需要更耐用的部件，例如熱交換器，管道系統(tǒng)和渦輪機，都需要重新優(yōu)化設計和制造。這其中，換熱器是一個難點。

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高溫換熱器的材料革新

傳統(tǒng)上，換熱器一般由不銹鋼或鎳基合金制成，但這些材料制造的換熱器在較高溫度下長期運行會軟化和被腐蝕。

好消息是，幾個美國大學的研發(fā)人員組成的團隊現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的“金屬陶瓷復合材料”(由陶瓷和金屬制成的一種新材料)，測試表明，這種材料比傳統(tǒng)的合金更堅固，更耐用、且耐高溫。

普渡大學、麻省理工學院、佐治亞理工學院、威斯康星大學麥迪遜分校和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的共同研究表明，該材料可用于下一代高溫超臨界二氧化碳(SCO2)Brayton循環(huán)驅動的光熱電站。

“斷裂強度和成本模擬結果表明，這種材料制造的換熱器在高溫使用條件下表現(xiàn)堅固可靠。”普渡大學材料工程教授KennethSandhage和麻省理工學院機械工程系的AsegunHenry如是表示。

金屬陶瓷復合材料最初由工程師們在二十世紀中葉為美國空軍解決噴氣發(fā)動機問題而開發(fā)。此后其在非軍工領域通常被用于生物陶瓷或制造高質量切削工具等領域。

由Sandhage和Henry領導的研究小組開發(fā)出的這種材料是由碳化鋯和鎢制成的金屬陶瓷復合材料。該項成果已經(jīng)在2018年10月發(fā)表在自然雜志上。

“在測試階段表現(xiàn)出的主要性能是優(yōu)化的斷裂強度，對SCO2的耐腐蝕性和導熱系數(shù)比鋼或鎳基合金高出兩到三倍(超過700攝氏度運行溫度下)，”研究人員表示。

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綜合制造成本持平甚至更低

更重要的是，金屬陶瓷換熱器的成本等于甚至低于傳統(tǒng)的合金制造解決方案，在性能提升的同時還能夠帶來制造成本的下降，這為光熱電站提供了更好的經(jīng)濟解決方案。

威斯康星大學麥迪遜分校和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的成本分析發(fā)現(xiàn)，新型換熱器的成本與緊湊型鎳基合金解決方案相當或更低。測試表明，金屬陶瓷的制造和勞動力成本的降低超過了原材料成本的增加。

用于制造印刷電路熱交換器的傳統(tǒng)金屬合金板通常使用最先進的光化學蝕刻來制造。金屬陶瓷方案則通過多孔碳化鎢預成型板與通道式碳化鎢預成型板的機械連接，使用孔隙度補償(DCP)和擴散結合工藝來制造。

研究人員表示，這意味著可以使用比金屬合金設計更便宜，速度更快的方案制造。“這就是降低成本的地方，”他們說。

金屬陶瓷的早期使用涉及較小領域的應用，這些材料在較大的換熱器中應用將帶來顯著的進步。

Sandhage和Henry說，研究團隊目前將幫助確定未來制造合作伙伴所需的設備和專業(yè)知識。我們希望在成功完成現(xiàn)有項目后的3至6年內建立這種商業(yè)合作關系。

2018年10月，美國能源部還向普渡大學，加州大學和威斯康星州ComPrex的其它科學家們共計獎勵了380萬美元，用于支持這些團隊研究新型復合材料，減小結構尺寸和增強制造工藝來提高熱交換器的性能。

Sandhage預測將會出現(xiàn)進一步的材料革新。他說，普渡大學的研究人員已經(jīng)確定了可以進一步改善高溫換熱器和其他部件性能的新型復合材料。研究人員目前正在系統(tǒng)化這些知識產權。

Sandhage指出，這些材料尚未在能源行業(yè)中使用，在商業(yè)化之前需要更系統(tǒng)的知識儲備。比如，光熱項目開發(fā)商需要了解腐蝕和材料降解的新機制，以充分利用這些產品的優(yōu)勢。

可以確定的是，如果這種新型材料被成功商業(yè)化，高溫超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)光熱發(fā)電技術的商業(yè)化將更進一步。