桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)與Flowserve Corp.和Kairos Power LLC合作，獲得為期三年的250萬美元的能源部高級閥門項目資助，以降低成本并提高美國太陽能集光效率。

控制閥是管理下一代集中式太陽能發(fā)電廠捕獲的太陽能的關鍵環(huán)節(jié)。他們必須安全可靠地收集，儲存和轉移極熱和腐蝕性的氯化物鹽，以用于公共發(fā)電。

為了實現DOE SunShot 目標，這將大大降低發(fā)電成本，同時提高產量，因此，可靠性更高，溫度更高的熔融鹽閥門至關重要 。SunShot的目標是降低太陽能的總成本，使其在本世紀末與其他形式的能源大規(guī)模競爭，而無需補貼。

桑迪亞項目的主要研究人員肯·阿米茹說：“我們期望將大大降低將按照能源部2030年基本負荷目標將太陽能集中發(fā)電的能源成本降低至每千瓦時5美分的可能性。”

該項目將研究新設計的熔鹽閥門，作為完整太陽能管理系統(tǒng)的一部分。如果成功，這些經過重新設計的閥門還可用于其他領域的能量傳輸，包括核能和石化行業(yè)。

鹽閥失靈挑戰(zhàn)了系統(tǒng)的可持續(xù)性

聚光太陽能系統(tǒng)必須處理的熔融氯化物鹽溫度可能會超過750攝氏度或接近1,400華氏度。

集中太陽能和其他能源會使液體過熱，然后將液體通過管道網絡泵送并輸送到發(fā)電站發(fā)電。熔融鹽是傳遞和存儲熔巖熱液體能量的首選液體，因為與水相反，熔融鹽保持其粘度，而水在如此極端的溫度下會轉化為蒸汽。熔融鹽還可以在能量收集和輸送過程中為整個發(fā)電廠提供更一致的溫度。

比例流量控制閥用作管道系統(tǒng)的守門員，用于將收集的能量輸送到電廠的生產側。這些閥門持續(xù)面臨極端溫度，壓力和流量，并且經常面臨極低的室外溫度。Armijo說，由于天氣的變化，閥門的凍結和融化會產生膨脹和收縮的材料，從而導致系統(tǒng)的缺陷。

他說：“盡管溫度變化很大，但熔鹽流量閥仍必須保持恒定的傳熱和流體流量。”

隨著集中式太陽能發(fā)電廠變得越來越大和生產率越來越高，流量控制閥之類的系統(tǒng)組件必須承受更加極端的條件才能可靠地運行。

“隨著我們在這些系統(tǒng)中使用更高的溫度，我們需要為熱膨脹付出一定的代價，”阿米霍說。“在極端的高溫和高壓下，材料和組件會膨脹，彎曲和翹曲。”

據Armijo稱，當前的熔融鹽閥門需要昂貴且頻繁的維護。但是，更大的挑戰(zhàn)可能是熔融鹽閥門故障可能會在整個系統(tǒng)中頻繁發(fā)生，從而導致維修或更換閥門以及重新包裝和更換密封件的停機時間很長。

添加鹽的腐蝕性質，您便有了重復分解的訣竅。如果閥門數量在10至15之間的系統(tǒng)每月發(fā)生一次閥門故障，則該系統(tǒng)可能會在數天，數周甚至數月內無法運行。相關的收入損失可能使這些系統(tǒng)不可持續(xù)。

新材料，設計打造更堅固的閥門

當今的熔鹽閥由昂貴的易腐蝕的鉻基材料制成，而高鎳基材料通常在這些高溫下不具有強度。桑迪亞(Sandia)將專注于開發(fā)用于閥門的較便宜的基礎材料，并增加耐用的復合復合材料覆蓋層以抵御腐蝕，提高耐用性，同時大幅降低制造成本。

除了材料升級外，創(chuàng)新的閥內件設計元素還將在熔融鹽通過時自動緩沖壓力波動和脈動，同時散發(fā)熱量以避免閥門損壞。阿米霍說，新設計還將使重新包裝的材料能夠用于創(chuàng)建模塊化的快速更換系統(tǒng)，以取代昂貴的波紋管密封件，如果用存在的冷凍鹽激活，波紋管密封件會破裂。

閥門的另一個主要可靠性問題是室外低溫導致內部鹽分凍結，這會在閥桿，密封件和閥蓋上造成機械應力。他說，閥門內的一項創(chuàng)新功能應通過將熱量通過閥桿傳遞到填料區(qū)域來解決這一凍結問題，從而保持恒定的內部溫度并減少操作和維護。

Armijo說：“是閥門上的溫度差異可能導致墊圈和密封件泄漏問題。”

獨立的熱管理系統(tǒng)有望減少材料應力和疲勞，這些應力和疲勞會破壞管道和閥門系統(tǒng)并提高組件的使用壽命。他說：“我們將微調控制裝置，以將閥門保持在均勻的溫度下。”

先進的閥門設計還將采用創(chuàng)新的墊片，密封件和填料，以減少維護需求。“而且，新設計可以在閥本身上包括壓力和流量傳感器，這將減少在整個系統(tǒng)中必須增加壓力和流量傳感器的成本，” Armijo說。

這種獨立的，集成的熱管理系統(tǒng)應顯著降低平均電力成本(系統(tǒng)成本除以終身能源輸出)，這對于開發(fā)商贏得太陽能項目而言變得越來越具有競爭力。

這些性能提升還將滿足美國能源部的 第三代聚光太陽能系統(tǒng)計劃的要求，該計劃要求推進高溫聚光太陽能組件，并開發(fā)可達到高工作溫度的熱能儲存裝置。

強大的合作伙伴關系整合了優(yōu)勢

該合作伙伴在熔融鹽系統(tǒng)的研發(fā)方面擁有數十年的經驗，將研究新型控制閥材料，設計和模塊化功能，以承受與昂貴的閥門故障相關的極端溫度和壓力。

桑迪亞(Sandia)在高級聚光太陽能系統(tǒng)和組件(尤其是熔鹽技術)的研發(fā)方面擁有40多年的經驗。實驗室將在其化學實驗室中使用氯化物-鹽混合物測試潛在的材料。在Sandia的國家太陽能熱測試設施的幾種情況下，將對閥門的耐腐蝕性，材料損失和機械強度進行評估 。

“ Sandia Labs在材料研究方面享譽70多年，” Armijo說。“我們可以對陶瓷，金屬合金和復合材料進行高溫新材料測試。世界上很少有設施可以做到這一點。”

福斯公司 在高溫和高壓流體的分析方法以及全球熔融鹽應用的系統(tǒng)評估方面具有豐富的經驗。該公司將開發(fā)兩個競爭性的閥桿密封系統(tǒng)，將風箱設計與快速更換包裝罐設計進行比較。兩種設計都可能使用獨立的熱管理系統(tǒng)。

Kairos Power LLC 將構建一個等溫分批流量閥測試系統(tǒng)，以研究在750攝氏度的工作溫度下的閥門性能和可靠性。Kairos還將在其工廠對原型2英寸閥門和先導閥驗證實驗進行可靠性評估。