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CSPPLAZA光熱發電網報道：運行于(yu)700攝氏度甚至(zhi)更高(gao)溫度的光熱電站(zhan)將帶(dai)來光熱發電的技術革命，但要解決的難(nan)題很多，其中一個就是(shi)適用于(yu)這(zhe)種高(gao)溫光熱電站(zhan)的換熱器材料。

高溫光熱電站的材料難題

到(dao)目(mu)前為止，光熱電(dian)站一般仍(reng)使用導熱油或熔(rong)鹽(yan)作為傳(chuan)儲熱介質，系(xi)統溫(wen)度因此(ci)被限(xian)制在(zai)550攝氏(shi)度左右(you)，效率(lv)也(ye)因此(ci)被限(xian)制。

更高(gao)溫度運行(xing)的(de)(de)光(guang)熱(re)電站則可以(yi)提高(gao)熱(re)電轉化效率，降(jiang)低發電成(cheng)(cheng)本(ben)。更高(gao)溫的(de)(de)光(guang)熱(re)電站設(she)計也(ye)因此成(cheng)(cheng)為致(zhi)力于削(xue)減(jian)成(cheng)(cheng)本(ben)和拓寬光(guang)熱(re)市場機會的(de)(de)研(yan)究者們的(de)(de)關鍵研(yan)究領域。

美國(guo)Brayton Energy公司，國(guo)家(jia)可(ke)再生(sheng)能源實驗室（NREL）和桑迪亞（Sandia）實驗室等(deng)機構(gou)都在(zai)為(wei)此努力(li)，他們致(zhi)力(li)于研發(fa)出溫度(du)在(zai)700攝氏度(du)以上的新(xin)型(xing)光熱(re)電站設計。

這三個(ge)團隊正在競爭能(neng)源部(bu)（DOE）2500萬美元的資(zi)金扶(fu)持，該筆資(zi)金用于支持建(jian)立一個(ge)高溫光熱發電(dian)系統示范項目。

這種新型發電(dian)系統即超臨界二氧化(hua)碳循環光熱(re)發電(dian)技術，其運(yun)行溫(wen)度高達700攝氏度以上(shang)，可實(shi)現(xian)更(geng)高效率和更(geng)低的(de)(de)發電(dian)成本，且理論上(shang)已經被證明是可行的(de)(de)。但現(xian)實(shi)中其面臨的(de)(de)一個難題即是材料問題。

研究人員表示，高溫超臨界二(er)氧化碳布雷頓(dun)循環光(guang)熱電(dian)站的熱電(dian)轉換效率(lv)比傳統電(dian)站可(ke)提高20％以上。這意(yi)味著可(ke)將(jiang)光(guang)熱電(dian)站的平(ping)準化電(dian)力成本（LCOE）降低約五分之一。

但更高溫的光熱(re)電站需要(yao)(yao)更耐用(yong)的部件(jian)，例如熱(re)交換器(qi)，管道系統和(he)渦輪機，都(dou)需要(yao)(yao)重新(xin)優化設(she)計和(he)制造。這其中，換熱(re)器(qi)是(shi)一(yi)個難點。

高溫換熱器的材料革新

傳統上，換(huan)熱(re)器一般由(you)不(bu)銹鋼或鎳基合金制成(cheng)，但(dan)這些材料(liao)制造的換(huan)熱(re)器在較高溫度下長(chang)期(qi)運行會軟化和(he)被(bei)腐(fu)蝕。

好消(xiao)息(xi)是，幾個美國大學的(de)研(yan)發人員組成(cheng)(cheng)的(de)團隊現在已經開(kai)發出一種新的(de)“金(jin)屬陶瓷(ci)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)”（由陶瓷(ci)和金(jin)屬制成(cheng)(cheng)的(de)一種新材料(liao)(liao)），測試(shi)表明，這種材料(liao)(liao)比(bi)傳統的(de)合(he)金(jin)更堅固(gu)，更耐用、且耐高溫。

普渡大學、麻省理工學院(yuan)、佐治亞(ya)理工學院(yuan)、威斯(si)康(kang)星大學麥迪(di)遜分校(xiao)和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的(de)共同(tong)研究表明，該材料(liao)可用于下一代高溫超(chao)臨界二氧(yang)化碳（SCO2）Brayton循環(huan)驅動的(de)光(guang)熱電站。

“斷裂強度和成本模擬結果表(biao)明，這種材料制造的(de)換熱(re)器(qi)在高(gao)溫使用條件下表(biao)現(xian)堅(jian)固可靠。”普渡大學材料工(gong)程教(jiao)授Kenneth Sandhage和麻省理工(gong)學院機械工(gong)程系的(de)Asegun Henry如是表(biao)示。

金屬陶瓷(ci)復合(he)材料最初由工程師(shi)們在二十世紀(ji)中葉為(wei)美國空軍(jun)解決噴氣(qi)發動機(ji)問題而開(kai)發。此后其在非(fei)軍(jun)工領(ling)域(yu)通(tong)常被用于(yu)生物陶瓷(ci)或制(zhi)造(zao)高(gao)質量(liang)切削(xue)工具等領(ling)域(yu)。

由Sandhage和Henry領導的(de)研(yan)究小組開發出的(de)這種材(cai)料(liao)是由碳(tan)化(hua)鋯和鎢制成(cheng)的(de)金屬陶瓷復合材(cai)料(liao)。該(gai)項(xiang)成(cheng)果已經在2018年10月發表在自(zi)然(ran)雜志上。

“在(zai)測試階段表現出的(de)主要性能是優化的(de)斷裂強度(du)，對SCO2的(de)耐腐蝕性和導熱系數比鋼或鎳基合金高出兩到三倍（超(chao)過700攝氏(shi)度(du)運行溫(wen)度(du)下），”研究人員表示。

綜合制造成本持平甚至更低

更(geng)重要的(de)(de)(de)是，金屬(shu)陶瓷換熱器的(de)(de)(de)成本等(deng)于(yu)甚至低(di)于(yu)傳(chuan)統的(de)(de)(de)合金制造解決(jue)方案，在(zai)性(xing)能提升的(de)(de)(de)同時還能夠帶來制造成本的(de)(de)(de)下降，這為光熱電站提供了更(geng)好的(de)(de)(de)經濟解決(jue)方案。

威斯康星大學麥(mai)迪遜分(fen)校和(he)橡樹嶺國(guo)家實驗室（ORNL）的(de)成(cheng)本(ben)分(fen)析(xi)發現，新型(xing)換熱器的(de)成(cheng)本(ben)與緊湊型(xing)鎳基合金解決(jue)方案相當或更低。測(ce)試表明，金屬陶瓷的(de)制造和(he)勞動力成(cheng)本(ben)的(de)降低超過了原材料成(cheng)本(ben)的(de)增加(jia)。

用(yong)于制造印刷電路熱交換器的(de)傳統金屬合金板(ban)通常使(shi)用(yong)最(zui)先(xian)進的(de)光化學蝕刻(ke)來制造。金屬陶(tao)瓷方案則通過多孔碳(tan)化鎢(wu)預成型板(ban)與通道式(shi)碳(tan)化鎢(wu)預成型板(ban)的(de)機械連接(jie)，使(shi)用(yong)孔隙度補(bu)償（DCP）和擴散結合工藝來制造。

研(yan)究人(ren)員表示，這意味著可(ke)以使用比金屬合(he)金設計更便宜，速度(du)更快的(de)方(fang)案(an)制造。“這就是降低成本的(de)地(di)方(fang)，”他(ta)們說。

金屬陶瓷的(de)早期使用涉及較(jiao)小領域的(de)應用，這些材料在較(jiao)大(da)的(de)換熱(re)器中應用將帶來顯著的(de)進步(bu)。

Sandhage和Henry說，研(yan)究團隊目(mu)前將幫助確(que)定未來制造合(he)作伙伴所(suo)需(xu)的設備和專業知識(shi)。我們希望在成(cheng)功完成(cheng)現有(you)項(xiang)目(mu)后的3至6年內建(jian)立這種商業合(he)作關系。

2018年10月，美國能源部還(huan)向普渡(du)大學(xue)，加(jia)州大學(xue)和(he)(he)威斯康(kang)星(xing)州ComPrex的其它科學(xue)家們(men)共(gong)計獎(jiang)勵了380萬(wan)美元，用于支(zhi)持這些團隊研究新型(xing)復合材(cai)料，減(jian)小結(jie)構尺寸(cun)和(he)(he)增強制造工藝來提高熱(re)交(jiao)換(huan)器的性能。

Sandhage預測將會出現(xian)進(jin)一步(bu)的(de)材料革新(xin)(xin)。他(ta)說(shuo)，普渡大學的(de)研究人員已(yi)經(jing)確(que)定了可以(yi)進(jin)一步(bu)改善高溫(wen)換熱器(qi)和其他(ta)部件性(xing)能的(de)新(xin)(xin)型復合材料。研究人員目前正在系(xi)統化這些知(zhi)識(shi)產權。

Sandhage指(zhi)出，這(zhe)些(xie)材料(liao)尚未在能源行業中使(shi)用，在商業化(hua)之(zhi)前需要更(geng)系統(tong)的知識儲備。比如，光熱項目開發商需要了(le)解腐蝕和材料(liao)降解的新機制(zhi)，以充分利用這(zhe)些(xie)產品的優(you)勢。

可(ke)以(yi)確(que)定的是，如果這(zhe)種新型材料被成(cheng)功(gong)商業化(hua)，高溫超臨界二氧(yang)化(hua)碳布雷頓循環光熱發電技術的商業化(hua)將更(geng)進一(yi)步(bu)。