最近的发展将通过使用陶瓷金属板在较高的温度和较高的压力下进行热传递来提高太阳热的发电效率。（普渡大学插图/雷蒙德·哈桑）

美国能源效率&可再生能源办公室（简称EERE）以“材料混搭可以提高太阳能热发电的效率”为题，将普渡大学（Purdue University）领导的一组研究人员发明的一种新的复合材料金属陶瓷成果作为EERE成功案例进行推介，表示：该金属陶瓷可以提高聚光太阳能热发电站（CSP）的能量转换。

普渡大学网站发文表示：太阳能仅占美国电力的2％，但如果在阴天和夜间使用的发电和储能成本更便宜，则太阳能发电量（注意是发电量，不是装机容量）将占比更大。太阳能不仅通过农场或屋顶上的电池板发电。另一种选择是利用太阳热能的聚光太阳能热发电。

太阳能热发电系统在白天通过使用镜子或透镜将大量的光集中到一个较小的区域上，收集能量，并将其以热量的形式存储在诸如熔融盐之类的介质中，来自熔融盐的热量被传递到超临界二氧化碳“工作”流体中，该流体膨胀并工作以使涡轮旋转而发电，从而将太阳能转化为电能。

普渡大学材料工程Reilly教授肯尼思·桑德哈格（Kenneth Sandhage）表示：“将太阳能作为热能储存已经比通过电池储存电力便宜，利用太阳能（作为热能）是更有效的发电形式。为使太阳能热发电与化石燃料进行直接成本竞争，下一步就是要降低利用太阳热能发电的成本，这额外的收益还有零温室气体排放。”

为了使太阳能发电成本更便宜，涡轮发动机将需要以相同的热量产生更多的电力，这意味着发动机需要运转的更热。热交换器将盐类中的能量转移到涡轮机的高压工作流体中（对于当前电站而言为565℃的蒸汽，对于下一代太阳能热发电技术而言，则为超过700℃的超临界二氧化碳（sCO₂）。当今的热交换器是由不锈钢和镍基合金制成的，这些合金在所需的较高温度和超临界二氧化碳的升高压力下会变得太软。维持承受高压所需的强度将需要更厚的壁，但是这会使用更多的材料，从而增加了成本。

受他的团队之前组合材料的启发，Sandhage与现在在麻省理工学院的Asegun Henry合作，设想了类似的、用于更坚固的热交换器的复合材料，这些材料可以应对高温和高压的应用，例如固体燃料火箭喷嘴。

普渡大学的研究人员创建了陶瓷-金属复合材料板。这两种材料以复合材料的形式共同展现出前景：陶瓷碳化锆和金属钨。根据DeveshRanjan团队在佐治亚理工学院进行的通道模拟，这些板具有可定制的通道，用于定制热交换。

普渡大学的制造工艺始于多孔碳化钨，该碳化钨很容易形成图案板，然后浸入锆和铜的热液体溶液中。平板吸收溶液，引发化学反应，形成致密且坚固的金属陶瓷。在普渡大学的设计中，这些板彼此堆叠，粘合在一起并连接到熔融盐和sCO₂进出热交换器的管上。每个板都有可定制的通道，以优化从熔融盐到sCO₂的热量传递。熔盐和sCO₂越热（温度越高），太阳能热发电站从相同量的阳光中可以产生的电力就越多。研究小组发现，在sCO₂中添加少量一氧化碳，在板上添加铜结合层，有助于防止因sCO₂的高工作温度和压力可能产生的腐蚀。

在热交换器内部形成的金属陶瓷堆叠板，该热交换器可以传导比传统合金多两到三倍的热量。这些板可帮助将太阳能热发电站的相对热-电转换效率提高20％以上，从当前系统运行温度565℃时的约41％提高到超过700℃时的50％或更高，从而降低了发电成本。

橡树岭国家实验室的埃德加·拉拉·库尔齐奥（Edgar Lara-Curzio）团队进行的机械测试以及威斯康星州-麦迪逊分校的马克·安德森（Mark Anderson）的团队进行的腐蚀测试表明，这种新的复合材料可以量身定制，以成功承受高温高压超临界二氧化碳发电所需，与当今的热交换器相比，效率更高。

佐治亚理工学院和普渡大学的研究人员还开发了一种技术经济模型，经济分析还表明，与不锈钢或镍合金基热交换器相比，这些热交换器热电效率的提高，能以更低的成本进行大规模生产。此过程将是实现成本目标的关键，该目标可以使美国的太阳能热发电技术具有成本效益。

Sandhage说：“最终，随着不断的发展，这项技术将使可再生太阳能大规模渗透到电网中。”“这将意味着大大减少电力生产中的人造二氧化碳排放。”

这项研究是由普渡大学与佐治亚理工学院，威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室合作完成，发表在《自然》杂志上（摘要见下）。这项进步已经申请了专利，并得到了美国能源部的支持，该部门最近还获得了更多资金，用于进一步开发和扩大该技术。

摘要

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

用于聚光太阳能热发电热交换器的陶瓷-金属复合材料

为了提高聚光太阳能热发电的发电效率，提高涡轮机的进口温度是一个手段，这将需要改善热交换器的材料。通过使用闭环高压超临界二氧化碳（sCO₂）再压缩循环，涡轮机入口温度高于1023开尔文，而不是使用常规的（例如亚临界蒸汽朗肯）进气温度低于823开尔文的循环，相对热-电转换效率可能提高20％以上。从而带来的可调度太阳能热发电的电力成本下降（加上热能存储）将是与化石燃料发电厂直接竞争并大幅减少温室气体排放的重要一步。但是，闭环高压sCO2涡轮机系统的入口温度受到用于将热量传递到sCO₂的紧凑型、基于金属合金的印刷电路型热交换器的热机械性能的限制。

在这里，我们介绍了一种坚固的陶瓷（碳化锆，ZrC）和难熔金属钨（W）的复合材料，可用于温度高于1023开尔文的印刷电路式换热器中。这种复合材料具有吸引力的高温热、机械和化学性能，并且可以以经济有效的方式进行加工。通过多孔碳化钨板的形状和尺寸保持化学转化，我们制造了具有可调通道图案的基于ZrC/W的热交换器板。致密的ZrC/W基复合材料在1073开尔文温度下的破坏强度超过350兆帕斯卡，在此温度下的热导率值是铁基或镍基合金的两到三倍。通过将铜层粘合到复合材料表面并向sCO₂中添加百万分之一的一氧化碳，可在1023开尔文和20兆帕的压力下实现对sCO₂的抗腐蚀。

技术经济分析表明，基于ZrC/W的换热器可以以较低的成本大大胜过基于镍超合金的印刷电路换热器。