高温镍合金在聚光太阳能发电中的神奇作用

　　镍基合金及含镍不锈钢在一种新型的可再生能源——称作太阳热能发电或聚光太阳能发电(CSP)中发挥着关键作用。这些材料的应用让业界克服了传热和储热技术领域的难题，而且对于设计寿命为40年或以上的项目，有助于减少材料退化或更换费用。

　　根据国际能源署资料(IEO 2017年)，2015年到2040年间，可再生能源(包括CSP)的消耗量将以每年2.3%的速度增长。目前全球有40多个太阳热能发电站，还有20多个这类发电站处于规划或建设阶段。它们往往位于太阳辐照度较高的地区，例如西班牙、印度、南非、中国、智利、澳大利亚、中东北非地区(MENA)和美国南部。

　　示范性CSP发电站早在上世纪80年代就投入运营。从那时起，在能量采集和储存方面取得了很大进展。太阳能塔是新开发的一种聚光技术，其中采用熔融盐作为传热流体。硝酸盐混合物的熔融温度一般为130℃(268℉)或以上。它们在288℃(550℉)的温度下在隔热储罐中保持液体形态。液态盐然后通过管道泵入太阳能接收器中并在聚光辐射的作用下加热到高达566℃(1,050℉)的温度。高温液体随后送入高温储罐中。高温储罐也是隔热的，可以长时间储存热能。

　　热电能储存(TES)用于补偿需求量和环境条件的变化。根据需要将熔融盐泵入蒸汽发生器中生成蒸汽以驱动常规涡轮机和发电机。TES相对于其他大规模可再生能源有独特的优势，某些情形下甚至不需要备用发电燃料。2013年夏季，西班牙的一个熔融盐塔系统在36天内每天24小时连续发电――这是有史以来的首次。

　　新月沙丘就是这样一个运营中的发电站。它位于内华达州拉斯维加斯以北沙漠中的托诺帕，净发电量为110兆瓦，TES时间为10小时。这意味着发电站在需求高峰期最多能以满负荷发电10小时。10,000多个定日镜反射太阳光后将能量聚集在200米(640英尺)高塔架顶部的接收器。每一面定日镜均由总面积达115.7平方米(1,245平方英尺)的小镜面组成。总集光面积超过120万平方米(1200万平方英尺)。从2015年投入商业应用时起，新月沙丘的发电量超过173千兆瓦，估计能满足75,000个家庭的高峰用电需求。太阳能塔和熔融盐CSP成为南非、澳大利亚和内华达州新规划项目的设计基础。南非100兆瓦Redstone项目将满足约20万个家庭的高峰用电需求，TES时间为12小时。内华达州的一个大规模新项目有10座太阳能塔，发电容量为2千兆瓦(2,000兆瓦)。

　　不锈钢及镍合金的使用使得高温系统成为可能，而以前操作熔融盐是一大难题。设计师和工程师开始采用UNS N06617、N06625和N06230等镍基合金制作接收管，因为它们需要长时间维持高温强度――这种特性称作抗蠕变性。这些合金可以在工作温度下保持稳定主要是因为它们的镍含量较高而且具有抗氧化性。347H型不锈钢(S34709)用于高温储罐。

　　截至2016年，全球CSP总装机容量达到4,815兆瓦。2017年，西班牙投入运营的装机容量为2,300兆瓦，几乎占全世界的一半。美国的装机容量为1,740兆瓦而且拥有全世界最大项目当中的两个：艾文帕太阳能发电站(392兆瓦)和莫哈韦太阳能项目(354兆瓦)。

　　新月沙丘位于内华达州拉斯维加斯以北沙漠中的，净发电量为110兆瓦，TES时间为10小时。这意味着发电站在需求高峰期最多能以满负荷发电10小时。