超高温储能与转换:AMADEUS项目成果综述|坩埚|涂层|温储能|潜热|石墨|超高温|高温合金

论文信息：

A. Datas, E. López, A. Ramos, N. Nikolopoulos, A. Nikolopoulos, M. Zeneli, N. Sobczak, W. Polkowski， M. Tangstad, J. Safarian, D. M. Trucchi, A. Bellucci, M. Girolami, D. Bestenlehner, S. Lang, A. Vitulano, G. Sabbatella, C. Cañizo, A. B. Cristobal,and A. Martí, Ultra-high temperature energy storage and conversion: A review of the AMADEUS project results, In AIP Conference Proceedings (2020).

论文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0028552

研究背景

2017年1月开始，AMADEUS成为欧盟委员会资助研究的新一代超高温储能和转换材料以及固态器件的项目。该项目的主要目标之一是创造新的相变材料，使其潜热在1000-2000千瓦时/立方米的范围内，比聚光太阳能(CSP)中使用的典型盐基相变材料要大一个数量级。同时开发先进的隔热材料和PCM外壳设计，使其能够在1000-2000ºC的温度范围内工作。特别是，该项目正在研究硅-硼基合金作为PCM和混合热离子-光伏(TIPV)装置的能量转换。然而，纯硅在凝固时的膨胀是一个严重的问题，涉及其在热循环下的密封和热能到电能的转换，所以此项目着手解决这一严重问题。

研究内容

为了应对这些问题，AMADEUS项目研究了基于硅-硼体系的新型PCM，该体系具有很高的潜热，凝固时的膨胀可以忽略不计，这种PCM与基于碳化物、氮化物和氧化物的耐火材料的相互作用，先进的隔热PCM外壳，以及一种新型的热离子-光伏(TIPV)混合装置。实验和理论模拟都表明，在较低的熔化温度下，Si-B和Si-B- x合金的潜热可能高于纯硅。铸造合金锭的不均匀性，导致样品化学成分的不同，以及不同的测试环境条件，可能造成一定的差异。初步试验表明，在SiC表面喷涂h-BN涂层会降低纯硅的润湿性，但h-BN涂层的附着力较差。在石墨上开发先进的氢氮化硼涂层可能是未来研究项目的目标。

图1. (a) 不同材料的熔化潜热作为熔化温度的函数，突出显示了AMADEUS项目中新开发的Fe-Si-B合金。(b) 最终AMADEUS存储系统的示意图。

为了设计出机械应力最小、转换效率最高的坩埚形状，以及以最低成本使热损失最小的最佳保温层，进行了仿真工作。分析和数值模拟都得出了基于倒截锥几何形状的最佳容器设计，这意味着TIPV转化器将放置在坩埚下方，而热量输入将从顶部进行。这种设计的优点是使轴向的热流密度和PCM沿垂直轴的温度梯度最小。

图2. (a) FRI热循环实验后含有Fe-Si-B合金的h-BN小坩埚。(b) FRI在1750℃下对h-BN衬底上的纯硅进行润湿性测试时的现场记录图像。(C) NTNU热循环实验后含有Fe-Si-B合金的石墨坩埚。(d) 铸造后含有 0.5升Fe-Si-B合金的最终石墨坩埚。

图3. TIPV装置的草图以及它的一些构成元素的图片。采用不同工艺沉积的lab6基阴极涂层测量的InGaAs PV电池I-V曲线(左上)和热离子饱和电流(J) -阴极温度(T)曲线(右下)。

图4. 高温真空热离子能量转换(VTEC)表征系统在AMADEUS项目中开发。

图5. 最终的能量储存和转换原型。

结论与展望

AMADEUS项目是欧洲首个开发新一代超高温(>1000ºC)潜热储能和转换材料和固态器件的项目。研究主要集中在系统的两个主要组成部分的开发上，即储热系统和热能到电能转换系统。针对前者，制备了大量的Si-B-X合金，并对其进行了表征，旨在选择潜热最高、凝固时体积膨胀小(或负)的PCM。非常重要的是，合金在凝固时也表现出体积收缩，而纯硅的体积收缩约为10%。在TIPV能量转换器的开发中，对不同的单元进行了单独的开发和优化。首先，通过在钽和(In)GaAs热电电池上分别沉积薄层的硼化镧和氟化钡，实现了能够有效辐射和收集电子的涂层。利用介电微间隔器，在发射极和电池之间建立了微米间隙的分离距离，以增强电子的通量。目前正在使用新开发的超高温真空测试系统对这些设备进行实验表征，目的是首次展示TIPV概念。这两条研究路线已经融合在一个优化的系统设计中，该系统已经制造出来，并正在用于实现整个能量存储和转换概念的第一个实验证明。

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