最近的發(fā)展將通過使用陶瓷金屬板在較高的溫度和較高的壓力下進行熱傳遞來提高太陽熱的發(fā)電效率。（普渡大學插圖/雷蒙德·哈桑）

美國能源效率&可再生能源辦公室（簡稱EERE）以“材料混搭可以提高太陽能熱發(fā)電的效率”為題，將普渡大學（Purdue University）領導的一組研究人員發(fā)明的一種新的復合材料金屬陶瓷成果作為EERE成功案例進行推介，表示：該金屬陶瓷可以提高聚光太陽能熱發(fā)電站（CSP）的能量轉(zhuǎn)換。

普渡大學網(wǎng)站發(fā)文表示：太陽能僅占美國電力的2％，但如果在陰天和夜間使用的發(fā)電和儲能成本更便宜，則太陽能發(fā)電量（注意是發(fā)電量，不是裝機容量）將占比更大。太陽能不僅通過農(nóng)場或屋頂上的電池板發(fā)電。另一種選擇是利用太陽熱能的聚光太陽能熱發(fā)電。

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在白天通過使用鏡子或透鏡將大量的光集中到一個較小的區(qū)域上，收集能量，并將其以熱量的形式存儲在諸如熔融鹽之類的介質(zhì)中，來自熔融鹽的熱量被傳遞到超臨界二氧化碳“工作”流體中，該流體膨脹并工作以使渦輪旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

普渡大學材料工程Reilly教授肯尼思·桑德哈格（Kenneth Sandhage）表示：“將太陽能作為熱能儲存已經(jīng)比通過電池儲存電力便宜，利用太陽能（作為熱能）是更有效的發(fā)電形式。為使太陽能熱發(fā)電與化石燃料進行直接成本競爭，下一步就是要降低利用太陽熱能發(fā)電的成本，這額外的收益還有零溫室氣體排放。”

為了使太陽能發(fā)電成本更便宜，渦輪發(fā)動機將需要以相同的熱量產(chǎn)生更多的電力，這意味著發(fā)動機需要運轉(zhuǎn)的更熱。熱交換器將鹽類中的能量轉(zhuǎn)移到渦輪機的高壓工作流體中（對于當前電站而言為565℃的蒸汽，對于下一代太陽能熱發(fā)電技術(shù)而言，則為超過700℃的超臨界二氧化碳（sCO?）。當今的熱交換器是由不銹鋼和鎳基合金制成的，這些合金在所需的較高溫度和超臨界二氧化碳的升高壓力下會變得太軟。維持承受高壓所需的強度將需要更厚的壁，但是這會使用更多的材料，從而增加了成本。

受他的團隊之前組合材料的啟發(fā)，Sandhage與現(xiàn)在在麻省理工學院的Asegun Henry合作，設想了類似的、用于更堅固的熱交換器的復合材料，這些材料可以應對高溫和高壓的應用，例如固體燃料火箭噴嘴。

普渡大學的研究人員創(chuàng)建了陶瓷-金屬復合材料板。這兩種材料以復合材料的形式共同展現(xiàn)出前景：陶瓷碳化鋯和金屬鎢。根據(jù)DeveshRanjan團隊在佐治亞理工學院進行的通道模擬，這些板具有可定制的通道，用于定制熱交換。

普渡大學的制造工藝始于多孔碳化鎢，該碳化鎢很容易形成圖案板，然后浸入鋯和銅的熱液體溶液中。平板吸收溶液，引發(fā)化學反應，形成致密且堅固的金屬陶瓷。在普渡大學的設計中，這些板彼此堆疊，粘合在一起并連接到熔融鹽和sCO?進出熱交換器的管上。每個板都有可定制的通道，以優(yōu)化從熔融鹽到sCO?的熱量傳遞。熔鹽和sCO?越熱（溫度越高），太陽能熱發(fā)電站從相同量的陽光中可以產(chǎn)生的電力就越多。研究小組發(fā)現(xiàn)，在sCO?中添加少量一氧化碳，在板上添加銅結(jié)合層，有助于防止因sCO?的高工作溫度和壓力可能產(chǎn)生的腐蝕。

在熱交換器內(nèi)部形成的金屬陶瓷堆疊板，該熱交換器可以傳導比傳統(tǒng)合金多兩到三倍的熱量。這些板可幫助將太陽能熱發(fā)電站的相對熱-電轉(zhuǎn)換效率提高20％以上，從當前系統(tǒng)運行溫度565℃時的約41％提高到超過700℃時的50％或更高，從而降低了發(fā)電成本。

橡樹嶺國家實驗室的埃德加·拉拉·庫爾齊奧（Edgar Lara-Curzio）團隊進行的機械測試以及威斯康星州-麥迪遜分校的馬克·安德森（Mark Anderson）的團隊進行的腐蝕測試表明，這種新的復合材料可以量身定制，以成功承受高溫高壓超臨界二氧化碳發(fā)電所需，與當今的熱交換器相比，效率更高。

佐治亞理工學院和普渡大學的研究人員還開發(fā)了一種技術(shù)經(jīng)濟模型，經(jīng)濟分析還表明，與不銹鋼或鎳合金基熱交換器相比，這些熱交換器熱電效率的提高，能以更低的成本進行大規(guī)模生產(chǎn)。此過程將是實現(xiàn)成本目標的關(guān)鍵，該目標可以使美國的太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有成本效益。

Sandhage說：“最終，隨著不斷的發(fā)展，這項技術(shù)將使可再生太陽能大規(guī)模滲透到電網(wǎng)中?！薄斑@將意味著大大減少電力生產(chǎn)中的人造二氧化碳排放。”

這項研究是由普渡大學與佐治亞理工學院，威斯康星大學麥迪遜分校和橡樹嶺國家實驗室合作完成，發(fā)表在《自然》雜志上（摘要見下）。這項進步已經(jīng)申請了專利，并得到了美國能源部的支持，該部門最近還獲得了更多資金，用于進一步開發(fā)和擴大該技術(shù)。

摘要

Ceramic–metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants

用于聚光太陽能熱發(fā)電熱交換器的陶瓷-金屬復合材料

為了提高聚光太陽能熱發(fā)電的發(fā)電效率，提高渦輪機的進口溫度是一個手段，這將需要改善熱交換器的材料。通過使用閉環(huán)高壓超臨界二氧化碳（sCO?）再壓縮循環(huán)，渦輪機入口溫度高于1023開爾文，而不是使用常規(guī)的（例如亞臨界蒸汽朗肯）進氣溫度低于823開爾文的循環(huán)，相對熱-電轉(zhuǎn)換效率可能提高20％以上。從而帶來的可調(diào)度太陽能熱發(fā)電的電力成本下降（加上熱能存儲）將是與化石燃料發(fā)電廠直接競爭并大幅減少溫室氣體排放的重要一步。但是，閉環(huán)高壓sCO2渦輪機系統(tǒng)的入口溫度受到用于將熱量傳遞到sCO?的緊湊型、基于金屬合金的印刷電路型熱交換器的熱機械性能的限制。

在這里，我們介紹了一種堅固的陶瓷（碳化鋯，ZrC）和難熔金屬鎢（W）的復合材料，可用于溫度高于1023開爾文的印刷電路式換熱器中。這種復合材料具有吸引力的高溫熱、機械和化學性能，并且可以以經(jīng)濟有效的方式進行加工。通過多孔碳化鎢板的形狀和尺寸保持化學轉(zhuǎn)化，我們制造了具有可調(diào)通道圖案的基于ZrC/W的熱交換器板。致密的ZrC/W基復合材料在1073開爾文溫度下的破壞強度超過350兆帕斯卡，在此溫度下的熱導率值是鐵基或鎳基合金的兩到三倍。通過將銅層粘合到復合材料表面并向sCO?中添加百萬分之一的一氧化碳，可在1023開爾文和20兆帕的壓力下實現(xiàn)對sCO?的抗腐蝕。

技術(shù)經(jīng)濟分析表明，基于ZrC/W的換熱器可以以較低的成本大大勝過基于鎳超合金的印刷電路換熱器。