2018年12月，俄羅斯莫斯科國立科技大學(xué)鋼鐵合金學(xué)院(NUST MISIS)的科研人員和他們來自埃及開羅中央冶金研究院的同事一起開發(fā)出了一種氮化鋁結(jié)合碳化硅的復(fù)合材料，可以將聚光太陽能發(fā)電塔集熱器的使用壽命延長至5年。這篇研究文章已經(jīng)發(fā)表在《Renewable Energy》雜志上。

在聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，在較大面積的開闊場地上裝有許多臺大型太陽能反射鏡，通常稱為定日鏡，每臺定日鏡都各自配有跟蹤機(jī)構(gòu)，它們準(zhǔn)確的將太陽光反射集中到發(fā)電塔頂部的聚光倍率可超過1000倍的集熱器上，同時在集熱器的腔體內(nèi)產(chǎn)生高溫。在集熱器里把吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)，再輸入熱動力機(jī)，膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)，最后以電能的形式輸出。聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)等部分組成，其運(yùn)行溫度可達(dá)1500℃，總效率在15%以上。聚光太陽能發(fā)電站屬于高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)，目前發(fā)電的規(guī)模可達(dá)10-20MW。

聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)有四個關(guān)鍵部件：定日鏡、集熱器、蓄熱罐和汽輪機(jī)。

碳化硅陶瓷材料，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的抗氧化性能，是太陽能集熱器的傳統(tǒng)元件。但是，碳化硅材料對鹽熔體的侵蝕性環(huán)境很敏感，嚴(yán)重影響了集熱器的使用壽命。

氮化鋁是一種很有前途的碳化硅添加劑，它具有高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。目前，氮化鋁復(fù)合碳化硅材料主要用于電子領(lǐng)域，但該材料同樣在太陽能光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

俄羅斯NUST MISIS功能納米和高溫材料部的科學(xué)家與埃及開羅中央冶金研究院的同事合作，開發(fā)了基于碳化硅結(jié)合氮化鋁的復(fù)合材料，其中含有高達(dá)40%的氮化鋁添加物。在研究過程中，科研人員優(yōu)選了新型復(fù)合材料的最佳添加劑組成和燒結(jié)溫度。由于在碳化硅晶界形成了固溶體，使得復(fù)合體的性能大大超過了傳統(tǒng)的碳化硅陶瓷。這種復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和耐熱性，同時具有較低的熱膨脹系數(shù)，而且耐腐蝕性能顯著提高，有效延長了聚光太陽能發(fā)電塔集熱器的使用壽命。

“氮化鋁復(fù)合碳化硅材料具有良好的熱化學(xué)性能和熱機(jī)械性能，在冶金、航空航天等高溫領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景”，埃及研究小組負(fù)責(zé)人Emad Ewais博士介紹說：“太陽能應(yīng)用需要沒有缺陷的耐用材料。接下來，我們計(jì)劃在太陽能裝置中測試新開發(fā)的氮化鋁復(fù)合碳化硅材料。”