陶瓷材料在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

       太陽能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行發(fā)電的一項(xiàng)清潔能源技術(shù)。部分陶瓷材料被應(yīng)用到太陽能系統(tǒng)的吸熱器上面。

       太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作原理和對(duì)加熱器的要求

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要是通過利用槽形拋物面反射鏡、或者盤狀拋物面鏡聚光集熱器、或者大型地面反光鏡將太陽光纖聚焦到集熱器上，對(duì)傳熱工質(zhì)進(jìn)行加熱，經(jīng)過換熱產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的能源動(dòng)力系統(tǒng)。因此吸熱器需要有極強(qiáng)的耐高溫的性能。

由于太陽能聚光能流密度的不均勻和不穩(wěn)定性，所以對(duì)于瓷吸熱體材料有如下要求：

（1）高溫抗氧化性，材料在長(zhǎng)期高溫工作環(huán)境中不會(huì)發(fā)生氧化破壞；

（2）良好的高溫力學(xué)性能和抗熱震性能，能夠避免材料熱斑破壞；

（3）高的太陽輻射吸收率，使材料能夠充分吸收太陽輻射能量；

（4）具有三維或者二維的連通結(jié)構(gòu)，保證材料高滲透率，使空氣流阻小，利于空氣流的分布均勻與穩(wěn)定；

（5）高比表面積，保證材料具有大的換熱面積，保證與空氣的充分換熱。

什么樣的陶瓷材料可以應(yīng)用到太陽能發(fā)電系統(tǒng)中：

以塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為例，因其具有聚光比高（200~1000kW/㎡）、熱力循環(huán)溫度高、熱損耗小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單且效率高的特點(diǎn)在太陽能發(fā)電上被大力推崇。吸熱器作為塔式太陽能熱發(fā)電的核心器件，需要承受比自然光強(qiáng)200-300倍的輻射強(qiáng)度，工作溫度可高達(dá)一千℃以上，所以其性能對(duì)熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和工作效率非常重要。傳統(tǒng)的金屬材料吸熱體工作溫度受限，使得瓷吸熱材料成為新的研究熱點(diǎn)。吸熱陶瓷材料主要分以下幾種：

①氧化鋁陶瓷：可承受1000℃以上的高溫，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性高，且耐酸堿、導(dǎo)熱性能良好、絕緣強(qiáng)度、電阻率、耐磨損；劣勢(shì)在于工作溫度高但熱導(dǎo)率和太陽輻射吸收率低，自身顏色為白色使得其被用作吸熱體的同時(shí)必須要在表面上涂覆涂層，由此來增加太陽輻射吸水率。高溫使用過程中產(chǎn)品基體與涂層易產(chǎn)生開裂，再加上抗震性不好，使得實(shí)際使用受限。

②堇青石陶瓷：具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、且比表面積大等特點(diǎn)，但因?yàn)閺?qiáng)度低，通常需要添加莫來石、氧化鋯等第二相來提高其強(qiáng)度。不過堇青石瓷吸熱體材料同氧化鋁陶瓷吸熱體問題相同，僅適用于中溫吸熱體材料。

有實(shí)驗(yàn)研究表明，以合成莫來石和合成堇青石為原料,廢玻璃粉和鈦酸鋁為燒結(jié)助劑,采用常壓燒結(jié)制備的莫來石-堇青石復(fù)相陶瓷，還可用作太陽能發(fā)電用的輸熱管道材料。

③碳化硅陶瓷：具有高強(qiáng)度、比表面積大、抗腐蝕、抗氧化、良好的隔熱性、抗熱震性和耐高溫性等優(yōu)良特性，相較于氧化鋁和堇青石瓷吸熱體材料具有更好的高溫性能。

有研究結(jié)果表明，采用燒結(jié)碳化硅制成的吸熱體可以使該吸熱器獲得高達(dá)1200℃的出口空氣溫度，材料沒發(fā)生破壞。

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