新發(fā)現(xiàn)助力CSP應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行性

    美國能源部（DOE）（華盛頓）和國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）（美國科羅拉多州Golden）的最新研究成果發(fā)現(xiàn)了一種潛在的鎳基涂料解決方案，可以減緩聚光太陽能（CSP）電廠的腐蝕速率。NREL表示，通過低成本的蓄熱，這些太陽能發(fā)電廠能夠?qū)崿F(xiàn)更好的配電并提高整體電網(wǎng)可靠性。

    NREL的機(jī)械和熱工程科學(xué)副實(shí)驗(yàn)室主任Johney Green說：“應(yīng)用耐腐蝕涂層，有可能提高CSP應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行性，對(duì)此我們感到非常興奮。

    一、熔鹽的問題

    太陽能電廠運(yùn)行時(shí)，CSP工廠需要通過550°C到750°C范圍內(nèi)的熔鹽等高溫流體來儲(chǔ)存熱量并發(fā)電。含有氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）和氯化鎂（MgCl2）的熔融鹽混合物通常用于傳熱流體和熱能存儲(chǔ)，它們可以承受高溫并將收集的太陽熱量保持?jǐn)?shù)小時(shí)。

    但是，在高溫下，這些熔鹽會(huì)對(duì)普通的鐵-鎳（FeNi）合金產(chǎn)生腐蝕，腐蝕可能發(fā)生在如熱交換器、管道和CSP系統(tǒng)的儲(chǔ)存容器中使用的Incoloy 800H（UNS N08810）和AISI 310（UNS S31000）不銹鋼（SS）等部位。

    為了在商業(yè)上使用熔鹽混合物，腐蝕速率必須低于20微米/年，以便CSP工廠可以實(shí)現(xiàn)其密封材料的30年預(yù)計(jì)使用壽命。NREL表示，相比之下，在熔融氯化物中測(cè)試的裸露SS合金的腐蝕速度高達(dá)4500微米/年。

    二、鎳基解決方案

    為了解決這個(gè)問題，NREL工程師和研究人員Judith Gomez-Vidal開始將不同類型的鎳基涂層（通常用于減少氧化和腐蝕）應(yīng)用到SS合金上。她的實(shí)驗(yàn)中，先通過砂紙對(duì)800H和310合金進(jìn)行拋光，直到表面變平，然后加工成直徑8mm，高度12mm的平板。在電化學(xué)腐蝕測(cè)試中使用的鎳基涂層統(tǒng)一為厚度1mm。

    由質(zhì)量比為23.0％的Co、20.0％的Cr、8.5％的Al、0.6％的Y、4.5％的Ta和余量Ni構(gòu)成的這種鎳涂層----NiCoCrAlYTa顯示出非常優(yōu)秀的性能。它將腐蝕速率限制在190微米/年，雖然目前還沒有達(dá)到目標(biāo)，但與未鍍膜的SS相比，腐蝕速度降低了96％。

    將該特定涂層在900℃的空氣中以0.5℃/ min的加熱/冷卻速率預(yù)氧化24小時(shí)，使用電子顯微鏡成像，對(duì)腐蝕表面的金屬表征，結(jié)果顯示，在暴露于熔融氯化物體系之前，該涂層表面形成均勻且致密的氧化鋁層，這也大大降低了對(duì)合金的腐蝕作用。

    戈麥斯維達(dá)爾說：”表面的保護(hù)非常有希望減少熔鹽中的腐蝕，特別是對(duì)于那些暴露于含氯蒸氣的表面。

    使用恒電位儀在氮?dú)夥罩杏?00℃進(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià)。在電極附近使用氧化鋁中的K型熱電偶以記錄溫度，在腐蝕測(cè)試之前將電化學(xué)電池密封并用氮?dú)獯祾呒s24小時(shí)，在合金浸入熔融氯化物后連續(xù)記錄電位，并且通過施加陰極和陽極外部電位立即進(jìn)行極化研究。在相同的條件下進(jìn)行每個(gè)測(cè)試三次以上的試樣，以評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性。

    戈麥斯維達(dá)爾說，涂層中的鉻和鋁在預(yù)氧化過程中優(yōu)先被氧化。這個(gè)氧化層可以幫助提高涂層的耐腐蝕性。氧化鋁是一種保護(hù)性氧化物，其結(jié)構(gòu)缺陷少，可以最大限度地減少或避免元素的擴(kuò)散，所以腐蝕被控制或減輕。

    三、進(jìn)一步降低費(fèi)率

    即使效率提高了96％，190μm/年的腐蝕率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CSP工廠實(shí)現(xiàn)30年使用壽命所需的20μm/年或更少的目標(biāo)。因此，研究團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃進(jìn)行更多的研究。

    戈麥斯-維達(dá)爾表示，雖然已經(jīng)降低了很多，但是CSP的腐蝕率仍然相當(dāng)高。“這項(xiàng)努力突出了太陽能應(yīng)用中測(cè)試材料耐久性的相關(guān)性試驗(yàn)的重要性，我們需要通過更多的研究來達(dá)到所需的目標(biāo)腐蝕水平，其中可能包括將熔鹽和周圍大氣的表面保護(hù)作用與化學(xué)控制相結(jié)合。

    進(jìn)一步的測(cè)試將需要在熱循環(huán)下評(píng)估涂層，并引入含氧氣氛，以增加系統(tǒng)的氧化電位。NREL指出，如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)裂紋，氧氣的添加可以更加清楚在氧氣存在下涂層的保護(hù)機(jī)制。

    同樣，戈麥斯 - 維達(dá)爾說，她在其他項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，在樣品的熱循環(huán)過程中，Al2O3層能夠形成并且在存在空氣的情況下仍然附著在表面上，可以重新形成的保護(hù)性鱗片的形成。

    這項(xiàng)研究由美國能源部的SunShot計(jì)劃提供資金，旨在通過與公共和私人合作伙伴的研發(fā)努力，使太陽能成為低成本的電力來源。

    關(guān)于NREL

    NREL是美國能源部在可再生能源和能源效率方面研究和開發(fā)的主要國家實(shí)驗(yàn)室。NREL是由可持續(xù)能源聯(lián)盟LLC（Lakewood，Colorado）非營利組織為DOE運(yùn)營的。

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責(zé)任編輯：王元

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