高溫鎳合金在聚光太陽(yáng)能發(fā)電中的神奇作用

　　鎳基合金及含鎳不銹鋼在一種新型的可再生能源——稱作太陽(yáng)熱能發(fā)電或聚光太陽(yáng)能發(fā)電(CSP)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些材料的應(yīng)用讓業(yè)界克服了傳熱和儲(chǔ)熱技術(shù)領(lǐng)域的難題，而且對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為40年或以上的項(xiàng)目，有助于減少材料退化或更換費(fèi)用。

　　根據(jù)國(guó)際能源署資料(IEO 2017年)，2015年到2040年間，可再生能源(包括CSP)的消耗量將以每年2.3%的速度增長(zhǎng)。目前全球有40多個(gè)太陽(yáng)熱能發(fā)電站，還有20多個(gè)這類發(fā)電站處于規(guī)劃或建設(shè)階段。它們往往位于太陽(yáng)輻照度較高的地區(qū)，例如西班牙、印度、南非、中國(guó)、智利、澳大利亞、中東北非地區(qū)(MENA)和美國(guó)南部。

　　示范性CSP發(fā)電站早在上世紀(jì)80年代就投入運(yùn)營(yíng)。從那時(shí)起，在能量采集和儲(chǔ)存方面取得了很大進(jìn)展。太陽(yáng)能塔是新開發(fā)的一種聚光技術(shù)，其中采用熔融鹽作為傳熱流體。硝酸鹽混合物的熔融溫度一般為130℃(268℉)或以上。它們?cè)?88℃(550℉)的溫度下在隔熱儲(chǔ)罐中保持液體形態(tài)。液態(tài)鹽然后通過(guò)管道泵入太陽(yáng)能接收器中并在聚光輻射的作用下加熱到高達(dá)566℃(1,050℉)的溫度。高溫液體隨后送入高溫儲(chǔ)罐中。高溫儲(chǔ)罐也是隔熱的，可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存熱能。

　　熱電能儲(chǔ)存(TES)用于補(bǔ)償需求量和環(huán)境條件的變化。根據(jù)需要將熔融鹽泵入蒸汽發(fā)生器中生成蒸汽以驅(qū)動(dòng)常規(guī)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。TES相對(duì)于其他大規(guī)?？稍偕茉从歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)，某些情形下甚至不需要備用發(fā)電燃料。2013年夏季，西班牙的一個(gè)熔融鹽塔系統(tǒng)在36天內(nèi)每天24小時(shí)連續(xù)發(fā)電――這是有史以來(lái)的首次。

　　新月沙丘就是這樣一個(gè)運(yùn)營(yíng)中的發(fā)電站。它位于內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯以北沙漠中的托諾帕，凈發(fā)電量為110兆瓦，TES時(shí)間為10小時(shí)。這意味著發(fā)電站在需求高峰期最多能以滿負(fù)荷發(fā)電10小時(shí)。10,000多個(gè)定日鏡反射太陽(yáng)光后將能量聚集在200米(640英尺)高塔架頂部的接收器。每一面定日鏡均由總面積達(dá)115.7平方米(1,245平方英尺)的小鏡面組成?？偧饷娣e超過(guò)120萬(wàn)平方米(1200萬(wàn)平方英尺)。從2015年投入商業(yè)應(yīng)用時(shí)起，新月沙丘的發(fā)電量超過(guò)173千兆瓦，估計(jì)能滿足75,000個(gè)家庭的高峰用電需求。太陽(yáng)能塔和熔融鹽CSP成為南非、澳大利亞和內(nèi)華達(dá)州新規(guī)劃項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。南非100兆瓦Redstone項(xiàng)目將滿足約20萬(wàn)個(gè)家庭的高峰用電需求，TES時(shí)間為12小時(shí)。內(nèi)華達(dá)州的一個(gè)大規(guī)模新項(xiàng)目有10座太陽(yáng)能塔，發(fā)電容量為2千兆瓦(2,000兆瓦)。

　　不銹鋼及鎳合金的使用使得高溫系統(tǒng)成為可能，而以前操作熔融鹽是一大難題。設(shè)計(jì)師和工程師開始采用UNS N06617、N06625和N06230等鎳基合金制作接收管，因?yàn)樗鼈冃枰L(zhǎng)時(shí)間維持高溫強(qiáng)度――這種特性稱作抗蠕變性。這些合金可以在工作溫度下保持穩(wěn)定主要是因?yàn)樗鼈兊逆嚭枯^高而且具有抗氧化性。347H型不銹鋼(S34709)用于高溫儲(chǔ)罐。

　　截至2016年，全球CSP總裝機(jī)容量達(dá)到4,815兆瓦。2017年，西班牙投入運(yùn)營(yíng)的裝機(jī)容量為2,300兆瓦，幾乎占全世界的一半。美國(guó)的裝機(jī)容量為1,740兆瓦而且擁有全世界最大項(xiàng)目當(dāng)中的兩個(gè)：艾文帕太陽(yáng)能發(fā)電站(392兆瓦)和莫哈韋太陽(yáng)能項(xiàng)目(354兆瓦)。

　　新月沙丘位于內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯以北沙漠中的，凈發(fā)電量為110兆瓦，TES時(shí)間為10小時(shí)。這意味著發(fā)電站在需求高峰期最多能以滿負(fù)荷發(fā)電10小時(shí)。