太阳能热发电吸热陶瓷.docx

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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

2、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(200～1000kW/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Inconel601。Catrec1[3,4]吸热器采用X5

3、CrAl2O5。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

4、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

5、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。VillafánVidales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Al2O3泡沫为基体，并在基体外表面涂覆选择性吸收涂层制成。Zhiyongwu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

6、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·2Al2O3·5SiO2）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

7、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