美国研发耐高温陶瓷泵或将提高光热电站储热温度

近日，在美国高级能源研究计划署(ARPA-E)的支持下，美国乔治亚理工学院与普渡大学、斯坦福大学三大高校联手，共同研发出一种以陶瓷为材料的机械泵，可在1400℃（1673开氏度）的高温下工作，适用于熔融锡等高温导热液体的输送，从而进一步为风电、太阳能发电等多种可再生能源电站的储能系统采用温度更高的储热介质提供了新的可能。

据乔治亚理工大学的研究员Caleb Amy介绍，高温下的熵减会使热能转换的难度增加，热能因此在光热电站和许多工业生产中显得尤为宝贵。（注：熵是一个抽象的物理学量，用于描述某个体系的“无秩序”程度：无序程度增加则熵增；反之则熵减。）

当前，光热电站多采用熔盐储热，但如果采用这种陶瓷材料制成的耐高温机械泵，则意味着熔融锡等新型高温储热介质有可能在光热电站储热系统中得到应用。据悉，熔融锡、熔融硅等液态金属在热储存和传输中能够发挥更好的作用，且熔融锡和陶瓷材料均没有腐蚀性，并且有助于提高发电效率，同时降低光热电站的成本。但在此之前，因一直未研发出可耐受相应高温的泵类与管道设备，这种新型储热系统技术并未得到进一步发展。

通常情况下，陶瓷材料因太过脆弱而不被机械系统青睐，而这种新型机械泵采用的陶瓷组件是经过精密加工而成，并选用韧性与强度较好的耐高温材料石墨对泵、管道以及其他连接处进行密封，因此使得陶瓷材料在机械泵中的应用得以实现。

“温度越高，则可转化为机械能或电能的热能就越多，但金属类的密封材料在温度过高时质地就会变软，从而限制整个基础设施的运转。”乔治亚理工大学助理教授Asegun Henry进一步说道，“而采用石墨密封的泵可连续运转72小时，转速达到每分钟几百转，在平均温度达到1473开氏度（约1199℃）的高温环境下也正常运行。在此前的试验性运转中，这种泵的工作温度更是达到1773开氏度（约1499℃）。”

从机械加工可行性与耐用性出发，当前研发的这种泵的主要材料是一种软质陶瓷——氮化铝，Henry表示，目前团队已着手研发以硬度更高的碳化硅作为原材料的机械泵。

另外，这种陶瓷泵为外啮合齿轮泵，其所采用的技术与离心泵及其他泵类均不同，是通过旋转齿轮吸入液态锡，并将其从出口推出。之所以选用此法，Henry解释说，因为该设计较为简单且可在速度较低的情况下保持运转。

Henry介绍说，这种陶瓷泵的直径仅有36毫米，应用到实际电站中时，并不需要过分扩大尺寸，因此耗材有限。例如，将泵的尺寸增加4-5倍，转换的总热量就可增加1000倍（额定最大转速下运转），可满足10KW到100MW不同规模光热电站的运行需求。