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氮化铝复合碳化硅材料显著提高聚光太阳能发电塔集热器寿命

2019.12.16 来自:瓷小新



2018年12月,俄罗斯莫斯科国立科技大学钢铁合金学院(NUST MISIS)的科研人员和他们来自埃及开罗中央冶金研究院的同事一起开发出了一种氮化铝结合碳化硅的复合材料,可以将聚光太阳能发电塔集热器的使用寿命延长至5年。这篇研究文章已经发表在《Renewable Energy》杂志上。



在聚光太阳能发电系统中,在较大面积的开阔场地上装有许多台大型太阳能反射镜,通常称为定日镜,每台定日镜都各自配有跟踪机构,它们准确的将太阳光反射集中到发电塔顶部的聚光倍率可超过1000倍的集热器上,同时在集热器的腔体内产生高温。在集热器里把吸收的太阳光能转化成热能,再将热能传给工质,经过蓄热环节,再输入热动力机,膨胀做功,带动发电机,最后以电能的形式输出。聚光太阳能发电系统主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成,其运行温度可达1500℃,总效率在15%以上。聚光太阳能发电站属于高温光热发电系统,目前发电的规模可达10-20MW。



聚光太阳能发电系统有四个关键部件:定日镜、集热器、蓄热罐和汽轮机。

 

碳化硅陶瓷材料,具有高强度和优良的抗氧化性能,是太阳能集热器的传统元件。但是,碳化硅材料对盐熔体的侵蚀性环境很敏感,严重影响了集热器的使用寿命。

 

氮化铝是一种很有前途的碳化硅添加剂,它具有高导热系数、低热膨胀系数和耐高温等优点。目前,氮化铝复合碳化硅材料主要用于电子领域,但该材料同样在太阳能光热转换领域展现出了巨大的应用前景。

 

俄罗斯NUST MISIS功能纳米和高温材料部的科学家与埃及开罗中央冶金研究院的同事合作,开发了基于碳化硅结合氮化铝的复合材料,其中含有高达40%的氮化铝添加物。在研究过程中,科研人员优选了新型复合材料的最佳添加剂组成和烧结温度。由于在碳化硅晶界形成了固溶体,使得复合体的性能大大超过了传统的碳化硅陶瓷。这种复合材料具有较高的导热系数和耐热性,同时具有较低的热膨胀系数,而且耐腐蚀性能显著提高,有效延长了聚光太阳能发电塔集热器的使用寿命。


Emad Ewais博士



“氮化铝复合碳化硅材料具有良好的热化学性能和热机械性能,在冶金、航空航天等高温领域有广阔的应用前景”,埃及研究小组负责人Emad Ewais博士介绍说:“太阳能应用需要没有缺陷的耐用材料。接下来,我们计划在太阳能装置中测试新开发的氮化铝复合碳化硅材料。”





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