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前言

太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電的一項(xiàng)清潔能源技術(shù)。世界現(xiàn)有的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)按照集熱溫度的高低大致可分為三大類(lèi)：槽式線(xiàn)聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。部分先進(jìn)陶瓷材料可被應(yīng)用在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器上。

1.槽式、碟式、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作原理：

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用槽形拋物面反射鏡將太陽(yáng)光纖聚焦到集熱器上，對(duì)傳熱工質(zhì)進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)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)。

碟式系統(tǒng)又稱(chēng)盤(pán)式系統(tǒng)，主要采用盤(pán)狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類(lèi)似大型拋物面雷達(dá)天線(xiàn)。由于盤(pán)狀拋物面鏡是一種點(diǎn)聚焦集熱器，其聚光比能夠高達(dá)數(shù)百至數(shù)千，因此可以產(chǎn)生極高的溫度。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可將多臺(tái)裝置并聯(lián)起來(lái)，組成小型太陽(yáng)能發(fā)電電站來(lái)為用戶(hù)提供電力需求。


塔式系統(tǒng)又稱(chēng)為集中型系統(tǒng)，其聚光裝置由許多安裝在場(chǎng)地上的大型反射鏡（通常被稱(chēng)為定日鏡）組成，每臺(tái)定日鏡都具備太陽(yáng)雙軸跟蹤能力，能夠準(zhǔn)確的將太陽(yáng)光反射集中于一個(gè)高塔頂部的吸熱器上，太陽(yáng)能熱加熱吸熱器上的傳熱工質(zhì)；蒸汽產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入動(dòng)力子系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，由此完成電腦輸出。


2.哪些陶瓷材料可應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中：

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)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(yáng)能發(fā)電上被大力推崇。吸熱器作為塔式太陽(yáng)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)。

2.1由于太陽(yáng)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(yáng)輻射吸收率，使材料能夠充分吸收太陽(yáng)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。

2.2有以下幾種陶瓷材料可被用作吸熱體材料：

①氧化鋁陶瓷：可承受1000℃以上的高溫，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(yáng)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(lái)增加太陽(yáng)輻射吸水率。高溫使用過(guò)程中產(chǎn)品基體與涂層易產(chǎn)生開(kāi)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(lái)石、氧化鋯等第二相來(lái)提高其強(qiáng)度。不過(guò)堇青石瓷吸熱體材料同氧化鋁陶瓷吸熱體問(wèn)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(lái)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(lái)石-堇青石復(fù)相陶瓷，還可用作太陽(yáng)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(méi)發(fā)生破壞。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究比較晚，直到“十五”期間才開(kāi)始實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用研究。但不影響中國(guó)目前成為世界上最大的光伏和太陽(yáng)熱能市場(chǎng)。先進(jìn)陶瓷或因技術(shù)成本等原因目前還未大規(guī)模投放應(yīng)用在太陽(yáng)能市場(chǎng)，但伴隨技術(shù)的革新、產(chǎn)品的更新?lián)Q代，以及生產(chǎn)效率的提升，能與太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)合理高效適配的陶瓷產(chǎn)品也將全面投放市場(chǎng)，一切只是時(shí)間問(wèn)題。 

原標(biāo)題：先進(jìn)陶瓷如何躋身于太陽(yáng)能發(fā)熱系統(tǒng)？