破解塔式光热发电“三元矛盾”——南工大气固粉基复合导热材料研发纪实

　　塔式光热发电一度被寄予厚望，却受阻于成本过高。液态金属钠光热吸热器因具备更高的光热发电效率和更低的成本优势，成为破解这一难题的技术路径之一，但其面临安全隔离、高效换热和抗热流冲击的“三元矛盾”。近日，南京工业大学能源动力学科凌祥教授团队研发了一种气固粉基复合导热材料(GSPC)，该材料通过“金属粉末—惰性气体”复合夹层，将导热、隔离和缓冲功能集成于同一材料体系，为新型光热系统实现高温输出、高效发电和能源替代提供了新的材料方案。

　　熔盐光热电站成本偏高　钠热虹吸受困于“三元矛盾”

　　塔式太阳能光热通过定日镜场聚光加热塔顶的熔盐吸热器，再经储热和热力循环发电，是破解太阳能间歇性、波动性、随机性的关键技术。历经半个世纪发展，熔盐光热电站始终未能突破商业盈利瓶颈，核心问题在于成本过高：建造成本约1万元/千瓦、发电成本约0.6元/千瓦时，远高于光伏的0.35万元/千瓦和0.25元/千瓦时；其中镜场与吸热塔成本超过70%。提升光热发电效率、降低镜场控制组件成本，成为降本增效的核心突破口。

　　传统外露管式光热吸热器受熔盐体系565℃运行温度限制，难以支撑更高效热力循环发电。相比之下，新型金属钠热虹吸吸热器可支持850℃以上超高温集热、90%以上光热效率和接近30%的光电效率，并使发电成本降至0.3元/千瓦时。同时，金属钠热虹吸凭借高效相变吸热，局部热流承受能力高达10兆瓦/平方米，大幅降低镜场控制精度要求。但其困于“本征安全、高效换热、抗热流冲击”的“三元矛盾”：钠遇水或空气将发生剧烈反应燃烧，需要本征安全的导热隔离材料支撑。“这三个目标就像跷跷板，压住一头，另一头就翘起来。”凌祥介绍。如何在同一材料体系中同时实现安全隔离、高效传热和热流缓冲，成为颠覆传统熔盐光热吸热器、构建下一代超高温光热系统必须破解的关键难题。

　　受焦炉余热回收工程启发　复合夹层“一举三得”

　　这项研究的灵感，最早来自一次高温余热回收工程项目。多年前，凌祥团队与华电节能公司合作，为焦炉上升管设计余热回收装置。焦炉上升管内流动的是800℃以上的高温荒煤气，其中夹带大量焦油蒸气等易冷凝组分。最初，团队尝试将换热管直接与荒煤气换热，希望尽可能贴近热源、提高换热效率。但设备运行后很快暴露出问题：高温荒煤气回收窗口极窄，遇到较冷的换热管壁后，焦油迅速析出并黏附在管壁上，进一步积炭结焦，原本高效的换热通道很快被“糊住”，系统性能急剧衰减。

　　“既然管子直接接触荒煤气会结焦，那就把它挪到外面来。”凌祥回忆说。团队随后将换热管移至余热回收装置外部，并在回收装置外壁与换热管之间填充石墨粉，利用“保护性气体—石墨粉”复合介质进行间壁式传热。这个看似简单的工程调整，不仅使得回收温度窗口可控，避开了焦油冷凝结焦问题，还带来了一个意外发现：粉末夹层并不只是传热介质，它还能够把局部集中的热量摊开，并对瞬态热冲击起到缓冲作用。

　　这一来自工程项目的灵感，成为团队后来提出GSPC材料的关键启发：如果在两种高温流体之间构建一层由高导热粉末和惰性气体组成的复合夹层，能否既把热高效传过去，又把危险介质安全隔开，同时还能缓冲局部高热流冲击?气固粉基复合导热材料的核心构想逐渐成形。

　　铜粉氦气夹层效果佳　光热发电效率提高10%

　　沿着这一思路，团队开始了系统研究，最终锁定铜粉与氦气作为关键搭配：铜粉构建高导热骨架，氦气提供稳定惰性环境，两者压实复合后在900℃下仍保持稳定。这一结构兼具导热、隔离和缓冲功能。

　　其颠覆性在于，GSPC把“安全屏障”变成了“高效传热通道”。金属粉末网络负责快速传热和横向均热，惰性气体粉末夹层负责阻隔高危介质直接接触，并缓冲瞬态热流冲击。即使发生高压或超临界流体泄漏，粉末床也可对射流进行弥散和减速，为检测、泄压和应急处置争取时间，从结构源头提升系统本征安全性。

　　在塔式光热吸热器验证中，配备GSPC材料层的新型吸热器效率达90%，高于现有外露式方案的83%；在云层遮挡、镜场控制故障等强波动工况下，仅依靠流量控制即可保持稳定运行。基于这一方案，光热发电效率可较传统熔盐电站提高约10%，镜场驱动和跟踪控制成本下降约10%，综合平准化度电成本降低约13%。

　　此外，GSPC还提出了一种面向极端工况的安全传热新范式。通过“导热—隔离—缓冲”一体化设计，该技术有望为高温、高压、高活性介质耦合场景提供新的底层材料方案，并向核能领域钠冷快堆安全传热、太阳能二氧化碳高值转化和严苛工况余热回收等战略方向延伸。目前，团队正对接中核、深圳能投等能源与投资企业，加快在光热领域新型吸热器与核能领域钠冷快堆等的工程示范落地。