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          美國成功案例:將太陽能作為熱能儲存已經比儲電便宜,材料混搭可提高太陽能熱發電效率

          日期:2021年04月27日
          來源:本站原創
          美國成功案例:將太陽能作為熱能儲存已經比儲電便宜,材料混搭可提高太陽能熱發電效率

          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電的效率”為題,將普渡大學(Purdue University)領導的一組研究人員發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電站(CSP)的能量轉換。
           
          普渡大學網站發文表示:太陽能僅占美國電力的2%,但如果在陰天和夜間使用的發電和儲能成本更便宜,則太陽能發電量(注意是發電量,不是裝機容量)將占比更大。太陽能不僅通過農場或屋頂上的電池板發電。另一種選擇是利用太陽熱能的聚光太陽能熱發電。
           
          太陽能熱發電系統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而發電,從而將太陽能轉化為電能。
           
          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)是更有效的發電形式。為使太陽能熱發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電的成本,這額外的收益還有零溫室氣體排放。”
           美國成功案例:將太陽能作為熱能儲存已經比儲電便宜,材料混搭可提高太陽能熱發電效率
          為了使太陽能發電成本更便宜,渦輪發動機將需要以相同的熱量產生更多的電力,這意味著發動機需要運轉的更熱。熱交換器將鹽類中的能量轉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電技術而言,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,Sandhage與現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),太陽能熱發電站從相同量的陽光中可以產生的電力就越多。研究小組發現,在sCO?中添加少量一氧化碳,在板上添加銅結合層,有助于防止因sCO?的高工作溫度和壓力可能產生的腐蝕。
           
          在熱交換器內部形成的金屬陶瓷堆疊板,該熱交換器可以傳導比傳統合金多兩到三倍的熱量。這些板可幫助將太陽能熱發電站的相對熱-電轉換效率提高20%以上,從當前系統運行溫度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了一種技術經濟模型,經濟分析還表明,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模生產。此過程將是實現成本目標的關鍵,該目標可以使美國的太陽能熱發電技術具有成本效益。
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