可耐溫1400攝氏度的陶瓷機械泵問世，光熱發電採用液態金屬傳儲熱或成可能
CSPPLAZA光熱發電網訊：近日，在美國高級能源研究計劃署(ARPA-E)的支持下，美國喬治亞理工學院與普渡大學、斯坦福大學三大高校聯手，共同研發出一種以陶瓷為材料的機械泵，可在1400℃（1673開氏度）的高溫下工作，適用於熔融錫等高溫導熱液體的輸送，從而進一步為風電、太陽能發電等多種可再生能源電站的儲能系統採用溫度更高的儲熱介質提供了新的可能。
據喬治亞理工大學的研究員Caleb Amy介紹，高溫下的熵減會使熱能轉換的難度增加，熱能因此在光熱電站和許多工業生產中顯得尤為寶貴。（註：熵是一個抽象的物理學量，用於描述某個體系的「無秩序」程度：無序程度增加則熵增；反之則熵減。）
當前，光熱電站多採用熔鹽儲熱，但如果採用這種陶瓷材料製成的耐高溫機械泵，則意味著熔融錫等新型高溫儲熱介質有可能在光熱電站儲熱系統中得到應用。據悉，熔融錫、熔融硅等液態金屬在熱儲存和傳輸中能夠發揮更好的作用，且熔融錫和陶瓷材料均沒有腐蝕性，並且有助於提高發電效率，同時降低光熱電站的成本。但在此之前，因一直未研發出可耐受相應高溫的泵類與管道設備，這種新型儲熱系統技術並未得到進一步發展。
圖：液態金屬在1400℃高溫下流動
（攝自喬治亞理工大學實驗室的一次實驗）
圖：Caleb Amy演示兩個陶瓷齒輪如何嚙合在一個泵上（圖片來自喬治亞理工大學）
圖：Caleb Amy將熔融錫倒入坩堝中
（圖片來自喬治亞理工大學）
通常情況下，陶瓷材料因太過脆弱而不被機械系統青睞，而這種新型機械泵採用的陶瓷組件是經過精密加工而成，並選用韌性與強度較好的耐高溫材料石墨對泵、管道以及其他連接處進行密封，因此使得陶瓷材料在機械泵中的應用得以實現。
「溫度越高，則可轉化為機械能或電能的熱能就越多，但金屬類的密封材料在溫度過高時質地就會變軟，從而限制整個基礎設施的運轉。」喬治亞理工大學助理教授Asegun Henry進一步說道，「而採用石墨密封的泵可連續運轉72小時，轉速達到每分鐘幾百轉，在平均溫度達到1473開氏度（約1199℃）的高溫環境下也正常運行。在此前的試驗性運轉中，這種泵的工作溫度更是達到1773開氏度（約1499℃）。」
從機械加工可行性與耐用性出發，當前研發的這種泵的主要材料是一種軟質陶瓷——氮化鋁，Henry表示，目前團隊已著手研發以硬度更高的碳化硅作為原材料的機械泵。
另外，這種陶瓷泵為外嚙合齒輪泵，其所採用的技術與離心泵及其他泵類均不同，是通過旋轉齒輪吸入液態錫，並將其從出口推出。之所以選用此法，Henry解釋說，因為該設計較為簡單且可在速度較低的情況下保持運轉。
Henry介紹說，這種陶瓷泵的直徑僅有36毫米，應用到實際電站中時，並不需要過分擴大尺寸，因此耗材有限。例如，將泵的尺寸增加4-5倍，轉換的總熱量就可增加1000倍（額定最大轉速下運轉），可滿足10KW到100MW不同規模光熱電站的運行需求。
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