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给“沙戈荒”能源装备“穿铠甲”

来源:光明网-《光明日报》2026-05-06 03:55

  【成果变形记】

  光明日报记者 王冰雅 尚杰

  祖国西北,广袤的沙漠戈壁正变身能源高地。吸热塔高高矗立,千万架风机迎风旋转,调峰火电机组昼夜轰鸣,源源不断将能源送入千家万户。

  传统能源与风电、光热等新能源多能互补的背后,是各类能源装备在极端环境中的“煎熬”:吸热塔顶的涂层承受着500多摄氏度的持续炙烤,风机机舱在盛夏飙升约90摄氏度,火电厂炉膛内壁被高碱煤腐蚀得千疮百孔……

  如何延长能源装备使用寿命,实现降本增效?中国科学院兰州化学物理研究所高祥虎团队,围绕关键材料技术,研发出多套特种涂层,为能源装备“穿上铠甲”。

  让电厂炉膛延寿

  火电机组是调节新能源稳定发电的“压舱石”。对于火电厂来说,燃煤成本占发电总成本的70%以上。考虑到经济效益,火电厂多选用来自新疆准东煤田的高碱煤。

  但高碱煤富含碱金属及氯、硫元素,燃烧时容易引发炉膛结焦、高温腐蚀甚至爆管,不仅煤耗高、热效率低,还具有安全隐患。甘肃省酒泉市瓜州县的常乐电厂,是全国最大的百万千瓦调峰电厂。因燃用高碱煤,导致炉膛结焦和高温腐蚀,严重影响机组的安全性和经济性。非计划停机一次,直接经济损失达千万元。

  面对这一难题,应用涂层是较好的解决办法。但传统涂层导热率低,应用在炉膛上影响传热效率;且调峰机组频繁升降负荷,炉膛金属热胀冷缩,普通涂层极易剥落。

  为此研究团队开发出纳米高熵陶瓷涂层,集防结焦、耐高温腐蚀、高导热于一体,还能降低煤耗。简而言之,既能保护炉膛,又不耽误发电。

  在火电厂做实验,天窗期只有四五个小时。团队成员常常凌晨两点进现场,工作到早上六点。进炉膛也有危险,需要从一个孔钻进去再爬到高处。

  功夫不负有心人。西安热工研究院测试结果显示:采用新涂层材料后,锅炉热效率提升0.46%,供电煤耗降低1.5克每千瓦时。以1000兆瓦机组为例,每年可节煤1.5万吨,减排二氧化碳3.4万吨。

  目前,这项技术已在常乐电厂示范应用。运行3年来,炉膛管壁未出现明显结焦、腐蚀等安全隐患。“十五五”期间,成果还将推广至新疆、青海、内蒙古、宁夏等省区。

  给储能系统降温

  在“沙戈荒”新能源基地中,光伏发电、风力发电、电化学储能是风光储多能系统的重要组成部分。

  戈壁光照强、温差大、辐射烈,储能系统及相关电力设备常年暴露在烈日之下。盛夏时节,集装箱表面温度可达八九十摄氏度,高温导致设备效率下降、能耗增加,安全风险也随之攀升。而传统降温依靠空调,耗电高。

  基于光谱学科基础,研究团队把“吸热”的思路反过来,开发了辐射制冷涂层。辐射制冷的原理是,物体在反射大部分太阳光的同时,通过大气窗口向外太空发射电磁波,从而带走自身热量。

  “辐射制冷技术不消耗任何能源,是一种变革性的节能新技术。”高祥虎介绍。

  在青海省格尔木市的电化学储能电站,这项技术已示范应用了两年。喷涂了辐射制冷涂层的储能集装箱表面,降温幅度达15至30摄氏度,日均空调制冷能耗可降低10%至15%。

  这项技术还延伸应用到光热电站。基于研究团队研发的辐射制冷材料,吸热塔局部降温可达150至250摄氏度,有效保护了其中的电子器件。这是国内外首次将高温辐射制冷应用于光热电站,为能源设施安全筑起了一道新的防线。

  为吸热塔换上“中国芯”

  沙漠中,数万面定日镜将阳光反射到吸热塔顶,加热塔内熔盐,产生高温蒸汽驱动发电。吸热器,是整座吸热塔最明亮的部分,光能在这里转换为热能,它是整座光热电站的心脏。

  此前,我国塔式光热电站面临多重困境,相关材料、技术、装备的发展均较为薄弱。

  以吸热器表面的高温太阳能吸热材料为例,这种关键光学材料一旦断供,国内光热电站将陷入被动。

  “吸热器基材通常是镍基合金。如果有一种材料,能尽可能多地吸收太阳光,同时尽可能少地散失热量,就能最大效率地收集太阳能。”高祥虎解释,为此团队创制了纳米高熵光谱选择性太阳能吸收涂层。

  但吸热器成本高昂,企业要控制风险,往往只敢选用具有电站使用业绩的材料。实验室的成果没有机会应用,又如何走向成熟?

  首航高科迈出“敢吃螃蟹”的一步,同意让该技术在敦煌百兆瓦塔式熔盐光热电站上进行能效测试。测试结果显示,运用该技术的吸热器吸热效率提升3.9%,可靠性、稳定性、能效均优于国外产品,成功实现国产替代进口。

  团队又接连突破了涂层高空原位太阳能聚光固化技术,建立起吸收涂层热性能评价方法,创制出适用于我国西北地区强风沙、强辐照、极端温差环境的大容量、高参数、国产化熔盐吸热器,从材料、技术、装备制造到系统集成,实现全链条贯通。

  2025年,这套技术获得甘肃省科技进步奖一等奖。截至目前,技术成果已在甘肃、新疆、青海、西藏等省区的12座光热电站实现应用,应用装机规模突破1吉瓦。

  高祥虎常说,抢占科技制高点有时效性。找到了方向,材料研发、工程验证、推向市场,每一个环节都要快。动作慢了,再好的成果也可能变成遗憾。一项项技术突破、一件件成果落地,团队一直在和时间赛跑。

  《光明日报》(2026年05月06日 08版)

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