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前言

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)。世界現(xiàn)有的太陽能發(fā)電系統(tǒng)按照集熱溫度的高低大致可分為三大類：槽式線聚焦系統(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)用在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器上。

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

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用槽形拋物面反射鏡將太陽光纖聚焦到集熱器上，對傳熱工質(zhì)進(jìn)行加熱，經(jīng)過換熱產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的能源動力系統(tǒng)。

碟式系統(tǒng)又稱盤式系統(tǒng)，主要采用盤狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類似大型拋物面雷達(dá)天線。由于盤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。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)可將多臺裝置并聯(lián)起來，組成小型太陽能發(fā)電電站來為用戶提供電力需求。


塔式系統(tǒng)又稱為集中型系統(tǒng)，其聚光裝置由許多安裝在場地上的大型反射鏡（通常被稱為定日鏡）組成，每臺定日鏡都具備太陽雙軸跟蹤能力，能夠準(zhǔn)確的將太陽光反射集中于一個高塔頂部的吸熱器上，太陽能熱加熱吸熱器上的傳熱工質(zhì)；蒸汽產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的過熱蒸汽進(jìn)入動力子系統(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)用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中：

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

（1）高溫抗氧化性，材料在長期高溫工作環(huán)境中不會發(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。

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。

結(jié)語

我國在太陽能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究比較晚，直到“十五”期間才開始實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用研究。但不影響中國目前成為世界上最大的光伏和太陽熱能市場。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)用在太陽能市場，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，一切只是時間問題。 

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