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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(xué)院與普渡大學(xué)、斯坦福大學(xué)三大高校聯(lián)手，共同研發(fā)出一種以陶瓷為材料的機(jī)械泵，可在1400℃（1673開氏度）的高溫下工作，適用于熔融錫等高溫導(dǎo)熱液體的輸送，從而進(jìn)一步為風(fēng)電、太陽能發(fā)電等多種可再生能源電站的儲能系統(tǒng)采用溫度更高的儲熱介質(zhì)提供了新的可能。
據(jù)喬治亞理工大學(xué)的研究員Caleb Amy介紹，高溫下的熵減會使熱能轉(zhuǎn)換的難度增加，熱能因此在光熱電站和許多工業(yè)生產(chǎn)中顯得尤為寶貴。（注：熵是一個抽象的物理學(xué)量，用于描述某個體系的“無秩序”程度：無序程度增加則熵增；反之則熵減。）
當(dāng)前，光熱電站多采用熔鹽儲熱，但如果采用這種陶瓷材料制成的耐高溫機(jī)械泵，則意味著熔融錫等新型高溫儲熱介質(zhì)有可能在光熱電站儲熱系統(tǒng)中得到應(yīng)用。據(jù)悉，熔融錫、熔融硅等液態(tài)金屬在熱儲存和傳輸中能夠發(fā)揮更好的作用，且熔融錫和陶瓷材料均沒有腐蝕性，并且有助于提高發(fā)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(fā)出可耐受相應(yīng)高溫的泵類與管道設(shè)備，這種新型儲熱系統(tǒng)技術(shù)并未得到進(jìn)一步發(fā)展。
圖：Caleb Amy將熔融錫倒入坩堝中（圖片來自喬治亞理工大學(xué)）
通常情況下，陶瓷材料因太過脆弱而不被機(jī)械系統(tǒng)青睞，而這種新型機(jī)械泵采用的陶瓷組件是經(jīng)過精密加工而成，并選用韌性與強(qiáng)度較好的耐高溫材料石墨對泵、管道以及其他連接處進(jìn)行密封，因此使得陶瓷材料在機(jī)械泵中的應(yīng)用得以實現(xiàn)。
“溫度越高，則可轉(zhuǎn)化為機(jī)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(zhì)地就會變軟，從而限制整個基礎(chǔ)設(shè)施的運轉(zhuǎn)。”喬治亞理工大學(xué)助理教授Asegun Henry進(jìn)一步說道，“而采用石墨密封的泵可連續(xù)運轉(zhuǎn)72小時，轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，在平均溫度達(dá)到1473開氏度（約1199℃）的高溫環(huán)境下也正常運行。在此前的試驗性運轉(zhuǎn)中，這種泵的工作溫度更是達(dá)到1773開氏度（約1499℃）。”
從機(jī)械加工可行性與耐用性出發(fā)，當(dāng)前研發(fā)的這種泵的主要材料是一種軟質(zhì)陶瓷——氮化鋁，Henry表示，目前團(tuán)隊已著手研發(fā)以硬度更高的碳化硅作為原材料的機(jī)械泵。
另外，這種陶瓷泵為外嚙合齒輪泵，其所采用的技術(shù)與離心泵及其他泵類均不同，是通過旋轉(zhuǎn)齒輪吸入液態(tài)錫，并將其從出口推出。之所以選用此法，Henry解釋說，因為該設(shè)計較為簡單且可在速度較低的情況下保持運轉(zhuǎn)。
Henry介紹說，這種陶瓷泵的直徑僅有36毫米，應(yīng)用到實際電站中時，并不需要過分?jǐn)U大尺寸，因此耗材有限。例如，將泵的尺寸增加4-5倍，轉(zhuǎn)換的總熱量就可增加1000倍（額定最大轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)），可滿足10KW到100MW不同規(guī)模光熱電站的運行需求。
據(jù)喬治亞理工大學(xué)的研究員Caleb Amy介紹，高溫下的熵減會使熱能轉(zhuǎn)換的難度增加，熱能因此在光熱電站和許多工業(yè)生產(chǎn)中顯得尤為寶貴。（注：熵是一個抽象的物理學(xué)量，用于描述某個體系的“無秩序”程度：無序程度增加則熵增；反之則熵減。）
當(dāng)前，光熱電站多采用熔鹽儲熱，但如果采用這種陶瓷材料制成的耐高溫機(jī)械泵，則意味著熔融錫等新型高溫儲熱介質(zhì)有可能在光熱電站儲熱系統(tǒng)中得到應(yīng)用。據(jù)悉，熔融錫、熔融硅等液態(tài)金屬在熱儲存和傳輸中能夠發(fā)揮更好的作用，且熔融錫和陶瓷材料均沒有腐蝕性，并且有助于提高發(fā)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(fā)出可耐受相應(yīng)高溫的泵類與管道設(shè)備，這種新型儲熱系統(tǒng)技術(shù)并未得到進(jìn)一步發(fā)展。
圖：液態(tài)金屬在1400℃高溫下流動。（攝自喬治亞理工大學(xué)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(xué)）
圖：Caleb Amy將熔融錫倒入坩堝中（圖片來自喬治亞理工大學(xué)）
“溫度越高，則可轉(zhuǎn)化為機(jī)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(zhì)地就會變軟，從而限制整個基礎(chǔ)設(shè)施的運轉(zhuǎn)。”喬治亞理工大學(xué)助理教授Asegun Henry進(jìn)一步說道，“而采用石墨密封的泵可連續(xù)運轉(zhuǎn)72小時，轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，在平均溫度達(dá)到1473開氏度（約1199℃）的高溫環(huán)境下也正常運行。在此前的試驗性運轉(zhuǎn)中，這種泵的工作溫度更是達(dá)到1773開氏度（約1499℃）。”
從機(jī)械加工可行性與耐用性出發(fā)，當(dāng)前研發(fā)的這種泵的主要材料是一種軟質(zhì)陶瓷——氮化鋁，Henry表示，目前團(tuán)隊已著手研發(fā)以硬度更高的碳化硅作為原材料的機(jī)械泵。
另外，這種陶瓷泵為外嚙合齒輪泵，其所采用的技術(shù)與離心泵及其他泵類均不同，是通過旋轉(zhuǎn)齒輪吸入液態(tài)錫，并將其從出口推出。之所以選用此法，Henry解釋說，因為該設(shè)計較為簡單且可在速度較低的情況下保持運轉(zhuǎn)。
Henry介紹說，這種陶瓷泵的直徑僅有36毫米，應(yīng)用到實際電站中時，并不需要過分?jǐn)U大尺寸，因此耗材有限。例如，將泵的尺寸增加4-5倍，轉(zhuǎn)換的總熱量就可增加1000倍（額定最大轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)），可滿足10KW到100MW不同規(guī)模光熱電站的運行需求。
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