普渡大学研发金属陶瓷复合材料提升光热发电效率

由普渡大学（Purdue University）领导的研究团队近日宣布，发明了一种新型金属陶瓷复合材料（cermet），旨在显著提升聚光太阳能热发电（CSP）系统的能量转换效率并降低成本。这种由碳化锆陶瓷与钨金属结合而成的新材料，以及其配套的制造工艺，自2015年起在美国能源部太阳能技术办公室（SETO）的支持下持续研发。

突破传统材料瓶颈

CSP电站通过在白天收集能量并将其以热能形式储存在熔盐等介质中，待需要时驱动涡轮机发电。热交换器负责将热量从熔盐传递给涡轮机的高压工质——现有电站通常使用565摄氏度的蒸汽，而下一代电站则采用超过700摄氏度的超临界二氧化碳（sCO2）。目前的热交换器多由不锈钢和镍基合金制成，但在高压高温环境下容易软化。若要保持强度以承受高压，必须增加壁厚，这将导致材料用量增加，进而推高成本。

普渡大学研发的金属陶瓷被制成板材，堆叠在热交换器内部，其导热能力是传统合金的两到三倍。这些板材有望将CSP电站的热电转换效率提高20%以上，从当前565摄氏度运行时的约41%，提升至700摄氏度以上时的50%或更高，从而降低发电成本。

创新设计与制造工艺

在普渡大学的设计中，板材层层堆叠并粘合在一起，同时连接到熔盐和sCO2进出热交换器的管道。每块板材都拥有可定制的通道，以优化从熔盐到sCO2的热传递。温度越高，CSP电站从相同阳光量中产生的电力越多。研究团队发现，在sCO2中添加少量一氧化碳并在板材表面增加铜粘合层，有助于防止sCO2在高温高压下的腐蚀。

普渡大学的制造工艺始于多孔碳化钨，可轻松成型为图案化板材，随后浸入含有锆和铜的热液体溶液中。板材吸收溶液后引发化学反应，形成致密且坚固的金属陶瓷。研究团队还开发了技术经济模型，显示制造这些板材的成本可与制造钢和镍合金板材相当。结合热电效率的提升，这一工艺对于实现成本目标至关重要，有望使美国的光热电站具备成本竞争力。

专利布局与资金支持

普渡大学研究团队已于2016年为这种耐腐蚀材料的制造工艺申请了专利，并于2018年10月在《自然》（Nature）杂志上发表了研究成果。2018年5月，太阳能技术办公室选择普渡大学研究团队通过第三代聚光太阳能系统项目获得资金支持，该项目旨在推进高温CSP组件和集成组装设计，以便他们利用开发的金属陶瓷材料进一步研发小型、低成本的热交换器。