科學家開發新型瓷金材料，可當聚光太陽能廠更有效率的熱交換器
2018-10-24
由美國普渡大學領導的團隊開發出一種新型瓷金材料，可以讓聚光太陽能熱發電廠變得更有效率，進一步削減太陽能發電的成本。
太陽能可分成直接發電與間接發電，前者是使用太陽能電池板的光伏（PV）系統，後者則是聚光太陽能熱發電（CSP），使用透鏡或反射鏡將大面積光線集中在小區域，再透過光熱轉換原理將光能轉為熱能傳遞給熔鹽，熔鹽接著透過熱交換器（heat exchanger）將熱量轉移到工作流體（working fluid，註）如：超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide），藉超臨界二氧化碳的膨脹驅動渦輪機來產生電力。
不過，負責將熱量從熔鹽傳遞到工作流體的熱交換器也有個大問題：它大多由不銹鋼或鎳合金製成，這種材料在高溫和超臨界二氧化碳的高壓下會變得太軟，使得轉換效率降低。
而一個由普渡大學材料工程學系教授 Kenneth Sandhage 領導，囊括威斯康辛大學麥迪遜分校、橡樹嶺國家實驗室、喬治亞理工學院、麻省理工學院等多方機構的團隊，現在開發出結合陶瓷碳化鋯與金屬鎢的新型瓷金材料，可以變成聚光太陽能發電廠理想的熱交換器。
瓷金（cermet），顧名思義為一種陶瓷 – 金屬複合材料，是 20 世紀中葉工程師們為了解決美國空軍對高耐熱、抗氧化的噴射引擎需求而開發，如火箭噴嘴。瓷金耐腐蝕、具有一定機械強度、在極端溫度下不易變形、能應對溫度快速冷熱變化，性能比一般金屬還要高，此後，瓷金開始融入各種領域，多數應用在表面塗層或一些工業小零件上。
研究人員報告指出，新型瓷金材料含有 58% 鋯、36% 鎢，其餘為銅和碳化鎢殘餘物，能承受比鐵或鎳合金材料還要高 2.5～3 倍的溫度到 800℃，且在如此高溫中依舊能維持強度。
不過將瓷金材料應用在熱交換器還是有個重大挑戰：就算超臨界二氧化碳只是一種弱氧化劑，它還是可以在高溫下氧化金屬陶瓷。研究人員認為，可以嘗試用銅塗覆材料來改善問題。據《Nature》報導，如果將瓷金材料塗上薄薄一層銅，並在超臨界二氧化碳中融入少量一氧化碳（約兩千分之一占比），就能防止瓷金材料被超臨界二氧化碳氧化長達 1,000 小時。（但產品想商業化，必須維持更久時間）
最後，由橡樹嶺國家實驗室團隊負責進行機械測試、威斯康辛大學麥迪遜分校團隊負責進行腐蝕測試、喬治亞理工學院與普渡大學團隊進行經濟效益分析，結論得出：新的瓷金複合材料可以「量身定制」，比現今的熱交換器更有效承受高溫高壓；如果大量製造，成本也會比不銹鋼或鎳合金更低。
新論文發表在《自然》期刊。
註：工作流體是指在動力系統的熱力循環中，負責進行熱交換的各種流體，比如水或液態金屬。
New material, manufacturing process use sun’s heat for cheaper renewable electricity
Cermet material could aid the development of future power plants
A new cermet that could provide a better heat exchange for solar power plants
（首圖來源：普渡大學）
◎資料來源：科技新報
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