太阳能热发电吸热陶瓷(1)

太阳能热发电用陶瓷吸热体材料的研究现状 摘要：本文简述了太阳能热发电对陶瓷吸热体材料的性能要求，并着重介绍了陶瓷吸热体材料，即氧化铝、堇青石和碳化硅陶瓷吸热体材料的发展现状，其中碳化硅陶瓷吸热体材料将成为研究热点。指出了陶瓷吸热体材料的存在问题，展望了其发展前景。

关键字：陶瓷吸热体材料；性能要求；存在问题；发展前景

前言

石油、煤炭、天然气等不可再生能源正日渐枯竭，随着人类经济社会的发展对能源的需求不断增加，解决能源紧缺和环境污染问题迫在眉睫。国内外都已采取一系列措施致力于可再生能源的开发和利用以替代不可再生能源。太阳能取之不尽用之不竭，成为理想的替代能源。塔式太阳能热发电技术正是在此背景发展的一种有效解决能源短缺问题的太阳能热利用的方法之一。塔式太阳能热发电系统[1]因具有聚光比高(200～1000 kW/m2)、热力循环温度高、热损耗小、系统简单且效率高的特点而得到世界各国重视，吸热器是塔式太阳能热发电的核心器件，而吸热器中的吸热体材料更是承受着比自然日光强200-300倍的辐射强度，工作温度可达1000℃以上，因此其性能对热发电系统的稳定运行和工作效率极其重要。传统的吸热器吸热体材料多采用耐热金属密网编织体，例如西班牙的TSA 吸热器，它采用耐热金属密网编织体作为吸热体[2]，其吸热体材料为Inconel 601。Catrec 1[3,4]吸热器采用X 5CrAl 2O 5。不锈钢作为吸热体。耐热金属编织体或者金属蜂窝作为吸热体材料虽然在技术上比较容易实现, 但由于使用了金属作为吸热体, 高温热空气氧化气氛条件下, 抗氧化能力弱, 如果热流不均很容易发生材料熔化或者软化的破坏, 因此工作温度受到限制, 多数研究结果证明其工作温度不能超过800℃, 使得金属吸热体材料在大功率应用(能流密度大于200一300kw/时) 中受到限制[5,6]。近年来陶瓷吸热体材料成为各国研究重点，且取得重大突破。陶瓷吸热体材料主要有氧化铝、堇青石和碳化硅等材质，研究热点主要集中在碳化硅材质吸热体材料。

1. 太阳能热发电对陶瓷吸热体材料性能要求

由于太阳能聚光能流密度的不均匀性和不稳定性，所以对于陶瓷吸热体材料有如下要求：

(1)高温抗氧化性，材料在长期高温工作环境中不会发生氧化破坏；

(2)良好的高温力学性能和抗热震性，能够避免材料热斑破坏；

(3)高的太阳辐射吸收率，使材料能够充分吸收太阳辐射能量；

(4)具有三维或者二维的连通结构，保证材料高渗透率，使空气流阻小，利于空气流的分布均匀与稳定；

(5)高比表面积[7]，保证材料具有大的换热面积，保证与空气的充分换热；

(6)高热导率，使材料能够快速进行热传导。

国外通过对多种形式吸热体材料的试验及模拟研究表明，最可靠的吸热体材料是泡沫陶瓷和陶瓷纤维，该种陶瓷相对于蜂窝结构多孔陶瓷具有更均匀的气流分布，使得材料的热均匀性更高，容易得到高效率，有利于材料在使用过程中保持安全稳定[8]。

2. 氧化铝陶瓷吸热体材料

氧化铝陶瓷能够承受1000℃以上的高温，具有较高的机械强度和化学稳定性、耐酸碱、导热性能良好、绝缘强度、电阻率高、耐磨损、具有一系列的优异性能，因而获得了广泛的应用。Villafán Vidales等[9,10]研究了一种新式的容积式吸热器用吸热体，这种空气吸热器采用多孔材料作为吸热体进行热交换，吸热体采用92％的Al 2O 3泡沫为基体，并在基体外表面涂覆选择性吸收涂层制成。Zhiyong wu等[11]研究了塔式太阳能热发电用吸热体材料，吸热体采用耐高温氧化铝陶瓷材料，吸热器中液体的工作温度高达900～1500℃，其中吸热体材料的温度至少在1000℃以上。氧化铝陶瓷吸热体材料虽然工作温度高，但其热导率和太阳辐照吸收率低，且颜色较白，在用作吸热体时需在其表面涂覆涂层，以提高太阳辐照吸水率，但是在高温使用过程中涂层与基体间易开裂，且抗热震性差，容易破坏失效，因而其使用也受到了限制。近几年关于其研究相对较少。

3. 堇青石陶瓷吸热体材料

堇青石（2MgO·2Al 2O 3·5SiO 2）陶瓷吸热体材料具有热膨胀系数低、抗热震性好、且比表面积大等特点。堇青石蜂窝陶瓷是以堇青石为主晶相的结构陶瓷，由于堇青石陶瓷的强度较低，通常通过添加莫来石、氧化锆等第二相来提高其强度。刘云猛等[12]研究了添加不同含量SiC 对烧结堇青石陶瓷相组成和性能的影响，并比较了添加不同颗粒尺寸的SiC 对烧结陶瓷强度的影响。试验表明，随着SiC 添加量的增加，堇青石陶瓷的弯曲强度、致密度和热膨胀系数逐渐增大。但是堇青石陶瓷吸热体材料也存在和氧化铝陶瓷吸热体材料同样的问题，仅适用于中温吸热体材料。现在对其应用的研究也相对较少。

4. 碳化硅陶瓷吸热体材料

碳化硅陶吸热体材料，具有高强度、比表面积大、抗腐蚀、抗氧化、良好的隔热性、抗热震性和耐高温性等优良特性，相比于氧化铝和堇青石陶瓷吸热体材料具有更好的高温性能。因此研究者在寻找更高温的吸热体材料过程中将目光多集中于碳化硅材质的吸热陶瓷。I ．Hischier 等[13]研究了一种太阳能热发电用吸热体材料，其采用反应烧结SiC 制成。实验结果表明，该吸热器可获得最高达1200℃的出口空气温度，材料没有发生破坏。Christos C．Agrafiotis 等[14]研究了SiC 质

蜂窝陶瓷材料作为吸热体，并制备了大体积蜂窝陶瓷，将其在塔式电站上经历长时间的太阳辐射运行，测试了热力学性能。结果表明，合理的气孔率、气孔尺寸、分布以及微观结构能够提高SiC 蜂窝陶瓷的力学性能(更高的抗折和抗压强度) 。使用渗硅SiC 材料作为吸热体，可以获得数千兆帕的抗压强度，数百兆帕的抗折强度，并具有良好的抗氧化性。纯碳化硅材料在普通条件下具有较好的抗氧化性能，但在高温条件下还是会发生氧化失效等问题。所以许多学者研究在碳化硅中引入第二相来提高其性能。如二氧化硅或黏土结合碳化硅、氮化硅结合碳化硅、莫来石结合碳化硅和硅结合碳化硅等碳化硅质复相材料。由于其化学稳定性好，具有耐高温、高温强度大、导热率高，抗热震性好、耐磨等优点被广泛使用，徐晓虹，骞少阳等[15]研究以碳化硅及合成莫来石微粉为主要原料，制备了用于非真空太阳能吸热管的莫来石结合碳化硅高温陶瓷涂层，莫来石作为结合相在碳化硅晶粒周围形成骨架，与SiO2玻璃相形成三围的网状保护层包裹在碳化硅表面，阻止碳化硅进一步氧化，提高其抗氧化，抗热震等性能。J.RAKSHIT [16]研究了四种配方组合的氮化硅结合碳化硅，制备了不同粒度的SiC 与Si 粉的混合物，作者研究了生坯的孔隙率对复合物高温下的抗弯强度的影响，结果表明高温下

（1200-1300℃）抗弯强度有所提高。研究表明将SiC 陶瓷纤维编织体与蜂窝陶瓷结合起来，即在蜂窝陶瓷表面放置纤维编织体作为吸热体，这种组合方式极大地提高了蜂窝陶瓷的换热效率。

5. 国内外研究现状及发展前景

吸热体材料作为太阳能热发电核心部件，国外对其进行了大量研究，并将陶瓷吸热体材料作为研究重点，技术成熟，并得到实际应用。较著名的是欧盟PSA 的SOLAR 计划当中的Solar-3000型模块吸热器。该计划研制一种SiC 蜂窝陶瓷为吸热体的容积式空气吸热器，出口空气温度700℃以上，采用模块化结构，可方便地组合成任意大小和形状的吸热器。我国在太阳能热发电技术应用方面研究比较晚，直到“十五”期间才开始实质性的应用研究，由于起步晚，我国还没有正式运行的太阳能热发电站。

国内陶瓷吸热体材料的研究仍处在初级阶段，主要表现在以下方面：

（1）太阳能热发电吸热体材料的太阳能辐照吸水率较低。

（2）吸热体材料的抗热震性较差与发射率的矛盾。

（3）吸热体材料的高温热稳定性、耐火度较差。

（4）光热转换效率低，相应的装置利用成本较高。

因此，急需加强陶瓷吸热体材料的研究工作，尽快掌握核心技术，开发出抗高温氧化、耐热温度高、热稳定性好，且使用寿命长的高温陶瓷吸热体材料，为我国太阳能热发电电站的建设奠定基础。随着发展太阳能热发电技术被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020年) 》，以及太阳能光热产业技术创新战略联盟的成立，太阳能热发电技术将在国内得到越来越广泛的研究。作为太阳能热发电核心的吸热体材料研究也必将更加深入，陶瓷吸热体材料的研究必将

成为重点。

6. 小结

综上所述，太阳能热发电用陶瓷吸热体材料必须能够抗高温氧化，并且热导率高、比表面积高、高温力学性能和抗热震性良好、太阳辐射吸收率高，同时，还须具有三维或者二维连通结构。早期的吸热体材料研究主要集中在合金方面，但由于合金吸热体材料存在工作温度低、易老化等原因，应用发展受到限制。为了获得工作温度更高的吸热体材料，陶瓷吸热体材料是目前国内外研究的热点，而其中碳化硅材质陶瓷吸热体材料又是研究重点。

参考文献

[1]辛秋霞，卞新高，杨缝缝．塔式太阳能热发电系统镜场调度方法的研究[J]．太阳能学报，2010，31(3)：317.

[2]Romero M，Buck R，Pacheco J E An update on solar cantral receiver systems，projects,and technologies[J]．J S0lar Energy Eng，2002，124(2)：98

[3]Sommers A，Wang Q，Han X，et al．Ceramics and ceramic matrix composites for heat exchangers in advanced thermal systems-A review [J]．Appl Therm Eng，2010，30(4)：1277.

[4]Hellmuth T E，Matthews L K．Modeling and optimum design of a wire mesh solar volumetric air receiver[J]．J SolarEnergy Eng，1997，119(3)：208

[5]JeanP.Murray,GillesFlamant,CarolynJ.Roos.Siliconandsolar-gradesilieonProduetion

bysolardissociationofSi3N4.SolarEnergy,2006,80:1349-1354.

[6]Salah Abdallaha,Mazen M,Abu-Khader,et al.Effect of various absorbing materials on the thermal Performance of solar stills[J]. Seienee Direet,2009,242:128-137.

[7]Fend Thomas．High porosity materials as volumetric receivers for solar

energetics[J]．Opt Appl，2010，40(2)：271

[8]田冲，张劲松. 太阳能塔式热发电空气吸热器吸热体材料技术[J]. 高科技与产业化 2008:34-36.

[9] Villafán Vidales H I，Stéphane Abanades，Caliot C，et a1．Heat transfer simulation in a thermochemical solar reactor based on a volumetric porous receiver[J]．Appl Therm Eng，2011，31(1)：3377

[10]Fend Thomas，Willhelm Volker ，Rolf Miebach，et a1．Experimental investigation of compact silicon carbide heat exchangers for high temperatures [J]．Int J Heat Mass Transfer ，2011，54(19)：4175

[11]Wu Zhiyong，Caliot Cyril，Flamant Gilles，et a1．Coupled

radiation and flow modeling jin ceramic foam volumetric solar

air receivers EJ]．Solar Energy，2011，85(9)：2374

[12]刘云猛，陈永和. SiC对烧结堇青石材料性能的影响[J].材料导报，2011,25

（18）:523.

[13]Hischier I，Hess D，Lipiflski W，et a1．Heat transfer analysis of a novel

pressurized air receiver for concentrated solar power via combined cycles [J]．Therm Sci ，2009，1(4)：1.

[14]Christos C Agrafiotis，Ilias Mavroidis，Athanasios G Konstandopoulos，et al ．Evaluation of porous silicon carbide monolithic honeycombs as volumetric

rIeceivers/coUectors of concentrated solar radiation[J]，Solar Energ Mater Solar Cells，2007，91(6)：474.

[15]徐晓虹，骞少阳，吴建锋, 等. 莫来石结合碳化硅高温吸热陶瓷抗氧化性能的研究[J].中国陶瓷工业，2010，17(5)：1-5.

[16]J.RAKSHIT ,P.K.DAS. Effect of microstructure on the high temperature strength of nitride bonded silicon carbide composite[J]. Bull.Mater. Sci,2002,25(5):387-390.