新发现助力CSP应用经济可行性

    美国能源部（DOE）（华盛顿）和国家可再生能源实验室（NREL）（美国科罗拉多州Golden）的最新研究成果发现了一种潜在的镍基涂料解决方案，可以减缓聚光太阳能（CSP）电厂的腐蚀速率。NREL表示，通过低成本的蓄热，这些太阳能发电厂能够实现更好的配电并提高整体电网可靠性。

    NREL的机械和热工程科学副实验室主任Johney Green说：“应用耐腐蚀涂层，有可能提高CSP应用经济可行性，对此我们感到非常兴奋。

    一、熔盐的问题

    太阳能电厂运行时，CSP工厂需要通过550°C到750°C范围内的熔盐等高温流体来储存热量并发电。含有氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）和氯化镁（MgCl2）的熔融盐混合物通常用于传热流体和热能存储，它们可以承受高温并将收集的太阳热量保持数小时。

    但是，在高温下，这些熔盐会对普通的铁-镍（FeNi）合金产生腐蚀，腐蚀可能发生在如热交换器、管道和CSP系统的储存容器中使用的Incoloy 800H（UNS N08810）和AISI 310（UNS S31000）不锈钢（SS）等部位。

    为了在商业上使用熔盐混合物，腐蚀速率必须低于20微米/年，以便CSP工厂可以实现其密封材料的30年预计使用寿命。NREL表示，相比之下，在熔融氯化物中测试的裸露SS合金的腐蚀速度高达4500微米/年。

    二、镍基解决方案

    为了解决这个问题，NREL工程师和研究人员Judith Gomez-Vidal开始将不同类型的镍基涂层（通常用于减少氧化和腐蚀）应用到SS合金上。她的实验中，先通过砂纸对800H和310合金进行抛光，直到表面变平，然后加工成直径8mm，高度12mm的平板。在电化学腐蚀测试中使用的镍基涂层统一为厚度1mm。

    由质量比为23.0％的Co、20.0％的Cr、8.5％的Al、0.6％的Y、4.5％的Ta和余量Ni构成的这种镍涂层----NiCoCrAlYTa显示出非常优秀的性能。它将腐蚀速率限制在190微米/年，虽然目前还没有达到目标，但与未镀膜的SS相比，腐蚀速度降低了96％。

    将该特定涂层在900℃的空气中以0.5℃/ min的加热/冷却速率预氧化24小时，使用电子显微镜成像，对腐蚀表面的金属表征，结果显示，在暴露于熔融氯化物体系之前，该涂层表面形成均匀且致密的氧化铝层，这也大大降低了对合金的腐蚀作用。

    戈麦斯维达尔说：”表面的保护非常有希望减少熔盐中的腐蚀，特别是对于那些暴露于含氯蒸气的表面。

    使用恒电位仪在氮气氛中于700℃进行腐蚀评价。在电极附近使用氧化铝中的K型热电偶以记录温度，在腐蚀测试之前将电化学电池密封并用氮气吹扫约24小时，在合金浸入熔融氯化物后连续记录电位，并且通过施加阴极和阳极外部电位立即进行极化研究。在相同的条件下进行每个测试三次以上的试样，以评价结果的一致性。

    戈麦斯维达尔说，涂层中的铬和铝在预氧化过程中优先被氧化。这个氧化层可以帮助提高涂层的耐腐蚀性。氧化铝是一种保护性氧化物，其结构缺陷少，可以最大限度地减少或避免元素的扩散，所以腐蚀被控制或减轻。

    三、进一步降低费率

    即使效率提高了96％，190μm/年的腐蚀率仍然远远超过CSP工厂实现30年使用寿命所需的20μm/年或更少的目标。因此，研究团队正计划进行更多的研究。

    戈麦斯-维达尔表示，虽然已经降低了很多，但是CSP的腐蚀率仍然相当高。“这项努力突出了太阳能应用中测试材料耐久性的相关性试验的重要性，我们需要通过更多的研究来达到所需的目标腐蚀水平，其中可能包括将熔盐和周围大气的表面保护作用与化学控制相结合。

    进一步的测试将需要在热循环下评估涂层，并引入含氧气氛，以增加系统的氧化电位。NREL指出，如果在运行过程中出现裂纹，氧气的添加可以更加清楚在氧气存在下涂层的保护机制。

    同样，戈麦斯 - 维达尔说，她在其他项目中发现，在样品的热循环过程中，Al2O3层能够形成并且在存在空气的情况下仍然附着在表面上，可以重新形成的保护性鳞片的形成。

    这项研究由美国能源部的SunShot计划提供资金，旨在通过与公共和私人合作伙伴的研发努力，使太阳能成为低成本的电力来源。

    关于NREL

    NREL是美国能源部在可再生能源和能源效率方面研究和开发的主要国家实验室。NREL是由可持续能源联盟LLC（Lakewood，Colorado）非营利组织为DOE运营的。

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