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高温光热电站的材料难题

到目前为止，光热电站一般仍使用导热油或熔盐作为传储热介质，系统温度因此被限制在550摄氏度左右，效率也因此被限制。

更高温度运行的光热电站则可以提高热电转化效率，降低发电成本。更高温的光热电站设计也因此成为致力于削减成本和拓宽光热市场机会的研究者们的关键研究领域。

美国BraytonEnergy公司，国家可再生能源实验室(NREL)和桑迪亚(Sandia)实验室等机构都在为此努力，他们致力于研发出温度在700摄氏度以上的新型光热电站设计。

这三个团队正在竞争能源部2500万美元的资金扶持，该笔资金用于支持建立一个高温光热发电系统示范项目。

这种新型发电系统即超临界二氧化碳循环光热发电技术，其运行温度高达700摄氏度以上，可实现更高效率和更低的发电成本，且理论上已经被证明是可行的。但现实中其面临的一个难题即是材料问题。

研究人员表示，高温超临界二氧化碳布雷顿循环光热电站的热电转换效率比传统电站可提高20%以上。这意味着可将光热电站的平准化电力成本(LCOE)降低约五分之一。

但更高温的光热电站需要更耐用的部件，例如热交换器，管道系统和涡轮机，都需要重新优化设计和制造。这其中，换热器是一个难点。

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高温换热器的材料革新

传统上，换热器一般由不锈钢或镍基合金制成，但这些材料制造的换热器在较高温度下长期运行会软化和被腐蚀。

好消息是，几个美国大学的研发人员组成的团队现在已经开发出一种新的“金属陶瓷复合材料”(由陶瓷和金属制成的一种新材料)，测试表明，这种材料比传统的合金更坚固，更耐用、且耐高温。

普渡大学、麻省理工学院、佐治亚理工学院、威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室(ORNL)的共同研究表明，该材料可用于下一代高温超临界二氧化碳(SCO2)Brayton循环驱动的光热电站。

“断裂强度和成本模拟结果表明，这种材料制造的换热器在高温使用条件下表现坚固可靠。”普渡大学材料工程教授KennethSandhage和麻省理工学院机械工程系的AsegunHenry如是表示。

金属陶瓷复合材料最初由工程师们在二十世纪中叶为美国空军解决喷气发动机问题而开发。此后其在非军工领域通常被用于生物陶瓷或制造高质量切削工具等领域。

由Sandhage和Henry领导的研究小组开发出的这种材料是由碳化锆和钨制成的金属陶瓷复合材料。该项成果已经在2018年10月发表在自然杂志上。

“在测试阶段表现出的主要性能是优化的断裂强度，对SCO2的耐腐蚀性和导热系数比钢或镍基合金高出两到三倍(超过700摄氏度运行温度下)，”研究人员表示。

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综合制造成本持平甚至更低

更重要的是，金属陶瓷换热器的成本等于甚至低于传统的合金制造解决方案，在性能提升的同时还能够带来制造成本的下降，这为光热电站提供了更好的经济解决方案。

威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室(ORNL)的成本分析发现，新型换热器的成本与紧凑型镍基合金解决方案相当或更低。测试表明，金属陶瓷的制造和劳动力成本的降低超过了原材料成本的增加。

用于制造印刷电路热交换器的传统金属合金板通常使用最先进的光化学蚀刻来制造。金属陶瓷方案则通过多孔碳化钨预成型板与通道式碳化钨预成型板的机械连接，使用孔隙度补偿(DCP)和扩散结合工艺来制造。

研究人员表示，这意味着可以使用比金属合金设计更便宜，速度更快的方案制造。“这就是降低成本的地方，”他们说。

金属陶瓷的早期使用涉及较小领域的应用，这些材料在较大的换热器中应用将带来显著的进步。

Sandhage和Henry说，研究团队目前将帮助确定未来制造合作伙伴所需的设备和专业知识。我们希望在成功完成现有项目后的3至6年内建立这种商业合作关系。

2018年10月，美国能源部还向普渡大学，加州大学和威斯康星州ComPrex的其它科学家们共计奖励了380万美元，用于支持这些团队研究新型复合材料，减小结构尺寸和增强制造工艺来提高热交换器的性能。

Sandhage预测将会出现进一步的材料革新。他说，普渡大学的研究人员已经确定了可以进一步改善高温换热器和其他部件性能的新型复合材料。研究人员目前正在系统化这些知识产权。

Sandhage指出，这些材料尚未在能源行业中使用，在商业化之前需要更系统的知识储备。比如，光热项目开发商需要了解腐蚀和材料降解的新机制，以充分利用这些产品的优势。

可以确定的是，如果这种新型材料被成功商业化，高温超临界二氧化碳布雷顿循环光热发电技术的商业化将更进一步。