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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(zhì)，系統溫度因此被限制在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(chǎng)機會(huì )的研究者們的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。
美國B(niǎo)raytonEnergy公司，國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)和桑迪亞(Sandia)實(shí)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(gè)團隊正在競爭能源部2500萬(wàn)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)電系統示范項目。
這種新型發(fā)電系統即超臨界二氧化碳循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)，其運行溫度高達700攝氏度以上，可實(shí)現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。但現實(shí)中其面臨的一個(gè)難題即是材料問(wèn)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電站可提高20%以上。這意味著(zhù)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(gè)難點(diǎn)。
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高溫換熱器的材料革新
傳統上，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(cháng)期運行會(huì )軟化和被腐蝕。
好消息是，幾個(gè)美國大學(xué)的研發(fā)人員組成的團隊現在已經(jīng)開(kāi)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，這種材料比傳統的合金更堅固，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(shù)嶺國家實(shí)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(dòng)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堅固可靠。”普渡大學(xué)材料工程教授KennethSandhage和麻省理工學(xué)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(dòng)機問(wèn)題而開(kāi)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)導的研究小組開(kāi)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比鋼或鎳基合金高出兩到三倍(超過(guò)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的合金制造解決方案，在性能提升的同時(shí)還能夠帶來(lái)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(xué)麥迪遜分校和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)的成本分析發(fā)現，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(dòng)力成本的降低超過(guò)了原材料成本的增加。
用于制造印刷電路熱交換器的傳統金屬合金板通常使用最先進(jìn)的光化學(xué)蝕刻來(lái)制造。金屬陶瓷方案則通過(guò)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(lái)制造。
研究人員表示，這意味著(zhù)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(shuō)。
金屬陶瓷的早期使用涉及較小領(lǐng)域的應用，這些材料在較大的換熱器中應用將帶來(lái)顯著(zhù)的進(jìn)步。
Sandhage和Henry說(shuō)，研究團隊目前將幫助確定未來(lái)制造合作伙伴所需的設備和專(zhuān)業(yè)知識。我們希望在成功完成現有項目后的3至6年內建立這種商業(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)家們共計獎勵了380萬(wàn)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(lái)提高熱交換器的性能。
Sandhage預測將會(huì )出現進(jìn)一步的材料革新。他說(shuō)，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化這些知識產(chǎn)權。
Sandhage指出，這些材料尚未在能源行業(yè)中使用，在商業(yè)化之前需要更系統的知識儲備。比如，光熱項目開(kāi)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(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。
