科學家開發新型瓷金材料,可當聚光太陽能廠更有效率的熱交換器

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 22 日 17:45 | 分類 太陽能 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly

由美國普渡大學領導的團隊開發出一種新型瓷金材料,可以讓聚光太陽能熱發電廠變得更有效率,進一步削減太陽能發電的成本。



太陽能可分成直接發電與間接發電,前者是使用太陽能電池板的光伏(PV)系統,後者則是聚光太陽能熱發電(CSP),使用透鏡或反射鏡將大面積光線集中在小區域,再透過光熱轉換原理將光能轉為熱能傳遞給熔鹽,熔鹽接著透過熱交換器(heat exchanger)將熱量轉移到工作流體(working fluid,註)如:超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide),藉超臨界二氧化碳的膨脹驅動渦輪機來產生電力。

不過,負責將熱量從熔鹽傳遞到工作流體的熱交換器也有個大問題:它大多由不銹鋼或鎳合金製成,這種材料在高溫和超臨界二氧化碳的高壓下會變得太軟,使得轉換效率降低。

而一個由普渡大學材料工程學系教授 Kenneth Sandhage 領導,囊括威斯康辛大學麥迪遜分校、橡樹嶺國家實驗室、喬治亞理工學院、麻省理工學院等多方機構的團隊,現在開發出結合陶瓷碳化鋯與金屬鎢的新型瓷金材料,可以變成聚光太陽能發電廠理想的熱交換器。

瓷金(cermet),顧名思義為一種陶瓷 – 金屬複合材料,是 20 世紀中葉工程師們為了解決美國空軍對高耐熱、抗氧化的噴射引擎需求而開發,如火箭噴嘴。瓷金耐腐蝕、具有一定機械強度、在極端溫度下不易變形、能應對溫度快速冷熱變化,性能比一般金屬還要高,此後,瓷金開始融入各種領域,多數應用在表面塗層或一些工業小零件上。

研究人員報告指出,新型瓷金材料含有 58% 鋯、36% 鎢,其餘為銅和碳化鎢殘餘物,能承受比鐵或鎳合金材料還要高 2.5~3 倍的溫度到 800℃,且在如此高溫中依舊能維持強度。

不過將瓷金材料應用在熱交換器還是有個重大挑戰:就算超臨界二氧化碳只是一種弱氧化劑,它還是可以在高溫下氧化金屬陶瓷。研究人員認為,可以嘗試用銅塗覆材料來改善問題。據《Nature》報導,如果將瓷金材料塗上薄薄一層銅,並在超臨界二氧化碳中融入少量一氧化碳(約兩千分之一占比),就能防止瓷金材料被超臨界二氧化碳氧化長達 1,000 小時。(但產品想商業化,必須維持更久時間)

最後,由橡樹嶺國家實驗室團隊負責進行機械測試、威斯康辛大學麥迪遜分校團隊負責進行腐蝕測試、喬治亞理工學院與普渡大學團隊進行經濟效益分析,結論得出:新的瓷金複合材料可以「量身定制」,比現今的熱交換器更有效承受高溫高壓;如果大量製造,成本也會比不銹鋼或鎳合金更低。

新論文發表在《自然》期刊。

註:工作流體是指在動力系統的熱力循環中,負責進行熱交換的各種流體,比如水或液態金屬。

(首圖來源:普渡大學

延伸閱讀: