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CSPPLAZA光熱發電網報道：運行于700攝氏(shi)度甚至更(geng)高(gao)溫度的光熱電站將帶來(lai)光熱發電的技術革命，但要解決的難題很多(duo)，其中一個就是適用于這種高(gao)溫光熱電站的換(huan)熱器材料。

高溫光熱電站的材料難題

到目前為止，光(guang)熱(re)電(dian)站一般(ban)仍使(shi)用導熱(re)油或熔鹽作為傳儲熱(re)介(jie)質，系統(tong)溫度(du)(du)因此被限制在550攝氏度(du)(du)左右，效率也(ye)因此被限制。

更高溫(wen)度運(yun)行的(de)光熱電(dian)站則可(ke)以提(ti)高熱電(dian)轉(zhuan)化(hua)效率，降低發(fa)電(dian)成本(ben)。更高溫(wen)的(de)光熱電(dian)站設(she)計也因此成為致力于削減(jian)成本(ben)和(he)拓(tuo)寬光熱市場機會的(de)研究者們的(de)關鍵研究領域。

美國Brayton Energy公司，國家(jia)可再生(sheng)能源實驗室（NREL）和桑迪(di)亞（Sandia）實驗室等機構(gou)都在(zai)為此努力，他們致力于研(yan)發(fa)出溫度在(zai)700攝氏度以(yi)上的新型光熱電(dian)站(zhan)設計。

這三個團(tuan)隊正(zheng)在競爭能源部（DOE）2500萬美元的(de)資金(jin)扶持，該筆資金(jin)用于支持建立一個高溫(wen)光熱發電系統(tong)示范項目。

這種新型發(fa)(fa)電(dian)系(xi)統即(ji)超臨(lin)界二(er)氧化碳循環光熱發(fa)(fa)電(dian)技術，其運行溫度高達700攝(she)氏度以上，可(ke)(ke)實現(xian)更(geng)高效(xiao)率和更(geng)低的(de)發(fa)(fa)電(dian)成(cheng)本，且(qie)理論上已經被證明是(shi)可(ke)(ke)行的(de)。但現(xian)實中其面(mian)臨(lin)的(de)一(yi)個難題即(ji)是(shi)材料問(wen)題。

研究人員表示，高溫超臨界二氧化碳布雷頓循(xun)環(huan)光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)的熱(re)(re)電(dian)(dian)(dian)轉換效率比傳統電(dian)(dian)(dian)站(zhan)可提(ti)高20％以上。這意味著可將光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)的平準(zhun)化電(dian)(dian)(dian)力成(cheng)本（LCOE）降低約五分之一。

但更高溫的光(guang)熱電站(zhan)需要更耐用的部件(jian)，例如熱交(jiao)換器，管道系(xi)統和(he)渦輪(lun)機，都需要重(zhong)新(xin)優化設計和(he)制造。這其(qi)中(zhong)，換熱器是一個難點(dian)。

高溫換熱器的材料革新

傳統(tong)上，換熱器(qi)一般由不銹(xiu)鋼(gang)或鎳(nie)基合金制成，但這些材料(liao)制造的換熱器(qi)在較高溫度下長期運行(xing)會軟化(hua)和(he)被腐蝕。

好消息是，幾(ji)個美國大(da)學的研發人員(yuan)組成的團隊現在已經開發出一種(zhong)新的“金屬陶瓷(ci)復(fu)合材料(liao)”（由陶瓷(ci)和金屬制成的一種(zhong)新材料(liao)），測試表明，這種(zhong)材料(liao)比傳統的合金更(geng)堅固(gu)，更(geng)耐用、且(qie)耐高溫(wen)。

普渡(du)大學、麻省(sheng)理(li)工(gong)學院、佐治亞理(li)工(gong)學院、威斯康星(xing)大學麥迪遜分(fen)校和橡(xiang)樹嶺國家實(shi)驗室（ORNL）的(de)共同(tong)研究表明(ming)，該材料可用于下一代(dai)高溫超臨(lin)界二氧化碳（SCO2）Brayton循環驅動的(de)光(guang)熱電站。

“斷裂強度和成本模擬結(jie)果表明，這種材料制造的換熱器(qi)在高(gao)溫使用條件(jian)下表現堅固可(ke)靠。”普渡大學材料工程(cheng)教授Kenneth Sandhage和麻省理工學院機械(xie)工程(cheng)系的Asegun Henry如是表示。

金屬陶(tao)瓷復合材料最初(chu)由工程師們(men)在(zai)二(er)十世紀中葉為美國空(kong)軍解決噴(pen)氣(qi)發動機問(wen)題而開發。此后其(qi)在(zai)非軍工領域(yu)通(tong)常被(bei)用于(yu)生物(wu)陶(tao)瓷或制造高質量切(qie)削工具等領域(yu)。

由Sandhage和Henry領導的(de)研(yan)究(jiu)小(xiao)組開(kai)發出的(de)這種材(cai)料是由碳化鋯(gao)和鎢制成的(de)金(jin)屬陶(tao)瓷復合材(cai)料。該項成果已經(jing)在2018年10月發表在自(zi)然(ran)雜(za)志(zhi)上。

“在測試階段表現出的主(zhu)要性能是優化(hua)的斷(duan)裂強度，對SCO2的耐腐蝕性和導熱(re)系數比(bi)鋼或(huo)鎳基合(he)金高出兩到(dao)三倍（超過(guo)700攝氏度運行溫度下），”研究人員(yuan)表示。

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(ben)等于甚(shen)至低(di)于傳統(tong)的合(he)金制(zhi)造(zao)解決方(fang)案(an)，在(zai)性(xing)能提(ti)升的同時還能夠帶來制(zhi)造(zao)成本(ben)的下降，這為(wei)光(guang)熱電站提(ti)供了更好的經濟解決方(fang)案(an)。

威斯康星大學(xue)麥迪遜分校和橡樹嶺國家實(shi)驗室(shi)（ORNL）的(de)成本(ben)分析發現，新型換熱(re)器的(de)成本(ben)與緊湊(cou)型鎳(nie)基合金解決方案(an)相(xiang)當或(huo)更(geng)低。測試表明，金屬陶瓷(ci)的(de)制造(zao)和勞動力成本(ben)的(de)降(jiang)低超過了原材料成本(ben)的(de)增加。

用于制造(zao)印刷電(dian)路熱交(jiao)換(huan)器的(de)傳統金屬合金板通常(chang)使(shi)用最先進(jin)的(de)光化學蝕刻來制造(zao)。金屬陶(tao)瓷方(fang)案則通過多孔碳(tan)化鎢預成型板與通道式碳(tan)化鎢預成型板的(de)機械連接(jie)，使(shi)用孔隙度補(bu)償（DCP）和擴散結合工藝來制造(zao)。

研究人員表示，這意(yi)味著可(ke)以(yi)使(shi)用比金屬合金設計更便宜，速度(du)更快的(de)方案(an)制(zhi)造。“這就是降(jiang)低成(cheng)本的(de)地方，”他們說(shuo)。

金屬陶瓷的早期使用涉(she)及(ji)較(jiao)小(xiao)領域的應用，這些(xie)材料在較(jiao)大的換熱(re)器中(zhong)應用將帶來顯著的進(jin)步。

Sandhage和Henry說(shuo)，研究團隊(dui)目前將幫助確定未來制造(zao)合作(zuo)伙(huo)伴(ban)所需的(de)設備和專業知(zhi)識。我們希(xi)望在成功完成現(xian)有(you)項目后的(de)3至6年內建立這種(zhong)商(shang)業合作(zuo)關系。

2018年10月，美國能源(yuan)部還向普渡大學，加(jia)州(zhou)(zhou)大學和(he)威斯康星州(zhou)(zhou)ComPrex的其它(ta)科學家們共(gong)計(ji)獎勵了380萬美元，用于支持這些團隊研究新型(xing)復合材料，減小結構(gou)尺寸和(he)增(zeng)強制(zhi)造工藝來提(ti)高熱交換器的性能。

Sandhage預測將會出現進一(yi)(yi)步的材料(liao)革(ge)新(xin)。他(ta)說，普渡大(da)學的研(yan)究人員已經確定了可以進一(yi)(yi)步改善高(gao)溫(wen)換熱(re)器和其他(ta)部件(jian)性(xing)能(neng)的新(xin)型復合材料(liao)。研(yan)究人員目前正在系統化這些知識(shi)產權。

Sandhage指出，這些材(cai)料尚未在能源行業中使用，在商(shang)(shang)業化之前需要(yao)更系統的(de)知識儲備。比如(ru)，光熱項目(mu)開發(fa)商(shang)(shang)需要(yao)了解(jie)腐蝕和材(cai)料降(jiang)解(jie)的(de)新(xin)機制(zhi)，以充分利用這些產(chan)品的(de)優勢。

可(ke)以確定的是，如果這種新型(xing)材(cai)料被成功商(shang)業化(hua)，高溫(wen)超(chao)臨界二(er)氧化(hua)碳布雷頓循環光熱發電技術的商(shang)業化(hua)將更進(jin)一步(bu)。