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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(dǎo)熱油或熔鹽作為傳儲(chǔ)熱介質(zhì)，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(yùn)行的光熱電站則可以提高熱電轉(zhuǎn)化效率，降低發(fā)電成本。更高溫的光熱電站設(shè)計(jì)也因此成為致力于削減成本和拓寬光熱市場機(jī)會(huì)的研究者們的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。

美國BraytonEnergy公司，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和桑迪亞(Sandia)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)。

這三個(gè)團(tuán)隊(duì)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(gè)高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)示范項(xiàng)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(shù)，其運(yùn)行溫度高達(dá)700攝氏度以上，可實(shí)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(shí)中其面臨的一個(gè)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(jī)，都需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造。這其中，換熱器是一個(gè)難點(diǎn)。

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高溫?fù)Q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(yùn)行會(huì)軟化和被腐蝕。

好消息是，幾個(gè)美國大學(xué)的研發(fā)人員組成的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的“金屬陶瓷復(fù)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(jiān)固，更耐用、且耐高溫。

普渡大學(xué)、麻省理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)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(qū)動(dòng)的光熱電站。

“斷裂強(qiáng)度和成本模擬結(jié)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(jiān)固可靠。”普渡大學(xué)材料工程教授KennethSandhage和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的AsegunHenry如是表示。

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

由Sandhage和Henry領(lǐng)導(dǎo)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(fù)合材料。該項(xiàng)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(qiáng)度，對SCO2的耐腐蝕性和導(dǎo)熱系數(shù)比鋼或鎳基合金高出兩到三倍(超過700攝氏度運(yùn)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(shí)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(jì)解決方案。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)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(dāng)或更低。測試表明，金屬陶瓷的制造和勞動(dòng)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(jìn)的光化學(xué)蝕刻來制造。金屬陶瓷方案則通過多孔碳化鎢預(yù)成型板與通道式碳化鎢預(yù)成型板的機(jī)械連接，使用孔隙度補(bǔ)償(DCP)和擴(kuò)散結(jié)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(shè)計(jì)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(lǐng)域的應(yīng)用，這些材料在較大的換熱器中應(yīng)用將帶來顯著的進(jìn)步。

Sandhage和Henry說，研究團(tuán)隊(duì)目前將幫助確定未來制造合作伙伴所需的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)。我們希望在成功完成現(xiàn)有項(xiàng)目后的3至6年內(nèi)建立這種商業(yè)合作關(guān)系。

2018年10月，美國能源部還向普渡大學(xué)，加州大學(xué)和威斯康星州ComPrex的其它科學(xué)家們共計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)了380萬美元，用于支持這些團(tuán)隊(duì)研究新型復(fù)合材料，減小結(jié)構(gòu)尺寸和增強(qiáng)制造工藝來提高熱交換器的性能。

Sandhage預(yù)測將會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步的材料革新。他說，普渡大學(xué)的研究人員已經(jīng)確定了可以進(jìn)一步改善高溫?fù)Q熱器和其他部件性能的新型復(fù)合材料。研究人員目前正在系統(tǒng)化這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

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(shí)儲(chǔ)備。比如，光熱項(xiàng)目開發(fā)商需要了解腐蝕和材料降解的新機(jī)制，以充分利用這些產(chǎn)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(shù)的商業(yè)化將更進(jìn)一步。