戈壁的風(fēng)裹著沙礫，打在安全帽上噼啪作響。180米高光熱電站吸熱塔上，科研人員系著安全繩，懸空趴在鋼架結(jié)構(gòu)上施工。腳下是望不到頭的荒漠，風(fēng)一吹，身體便微微晃動。這是他們?yōu)閲a(chǎn)熔鹽吸熱器開展高空涂層施工作業(yè)的一幕，也是100MW光熱電站的吸熱塔頂端。
在高塔下面，一面面反射鏡將太陽光精準(zhǔn)聚集在黑色吸熱器上，565℃高溫熔鹽在管道中奔流，將大漠陽光轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定綠電送往華中、華東地區(qū)。而在幾公里之外的甘肅電投常樂電廠，6臺百萬千瓦調(diào)峰火電機組平穩(wěn)運行，曾經(jīng)困擾行業(yè)的鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕難題被破解，每年節(jié)省數(shù)千萬元運維成本。
這兩處國家重大能源工程的背后，是中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所、甘肅省節(jié)能與儲能材料重點實驗室團隊十余年的堅守與攻關(guān)。他們扎根西北戈壁，以材料創(chuàng)新破解沙戈荒新能源發(fā)展難題，用一項項自主可控技術(shù)，為國家能源安全與“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)筑牢科技根基。
首航高科敦煌100MW塔式光熱電站。蘭州化物所供圖。戈壁尋路：錨定國家急需，把論文寫在能源一線
甘肅地處我國西北沙戈荒新能源核心區(qū)，庫布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林四大沙漠環(huán)繞，坐擁全國80%以上的風(fēng)能、太陽能資源。“十五五”規(guī)劃明確將沙戈荒地區(qū)定為國家新能源建設(shè)核心主戰(zhàn)場，到2030年風(fēng)光基地總裝機將達(dá)4.55億千瓦，成為我國能源轉(zhuǎn)型的核心支撐。
然而，廣袤戈壁既是能源“富礦”，也是科研“考場”。高溫、強輻照、大溫差、強風(fēng)沙的極端環(huán)境，讓傳統(tǒng)能源裝備頻頻“水土不服”：光熱發(fā)電核心吸熱材料被國外壟斷，火電機組摻燒新疆高堿煤易結(jié)焦爆管，儲能電站高溫散熱難、風(fēng)電葉片沙塵磨損嚴(yán)重……一系列材料難題，成為制約新能源規(guī)模化發(fā)展的瓶頸。
“國家的戰(zhàn)略需求，就是我們的科研方向。”甘肅省節(jié)能與儲能材料重點實驗室主任高祥虎研究員坦言。
其中，塔式光熱發(fā)電作為沙戈荒基地穩(wěn)定供電的核心支撐，其“心臟”熔鹽吸熱器，曾被美國技術(shù)牢牢卡住。
2018年，美國壟斷的高溫太陽能吸收材料突然停供，國內(nèi)多個光熱電站陷入“無米下鍋”的窘境。鎳基合金管依賴進(jìn)口、價格昂貴、供貨周期長，吸熱器涂層制備、高空運維等技術(shù)全行業(yè)空白，我國光熱發(fā)電規(guī)�；l(fā)展舉步維艱。“別人的技術(shù)壁壘，就是我們要攻堅的戰(zhàn)場。”高祥虎帶領(lǐng)團隊踏上光熱材料國產(chǎn)化的漫漫征途。
從2009年接觸光熱轉(zhuǎn)換材料，到2020年實現(xiàn)國產(chǎn)高溫太陽能吸收材料在光熱電站商業(yè)化應(yīng)用，團隊耗時十多年，終于攻克核心技術(shù)。他們首次提出納米高熵吸光材料設(shè)計思想，研發(fā)的高熵太陽能吸收涂層，綜合性能超越美國產(chǎn)品，吸收率更高、光學(xué)衰減率更低，吸熱效率提升3.9%。同時，聯(lián)合東方鍋爐、首航高科、哈爾濱鍋爐廠，構(gòu)建起從材料、技術(shù)到裝備制造的全鏈條國產(chǎn)化體系，制造出適配西北極端工況的大容量熔鹽吸熱器。
如今，這項技術(shù)已在敦煌100MW、瓜州 2×50MW、阿克塞 110MW 等多個國家級光熱電站落地應(yīng)用，累計裝機突破 1GW，榮獲 2025 年甘肅省科技進(jìn)步獎一等獎。曾經(jīng)被國外壟斷的光熱發(fā)電“心臟”，真正換上了 “中國芯”，為綠電外送、新能源裝備制造基地建設(shè)提供了堅實科技支撐。
火電機組爐膛內(nèi)進(jìn)行材料工程驗證。蘭州化物所供圖。攻堅：爐膛險境里的技術(shù)突圍，破解煤電調(diào)峰“頑疾”
沙戈荒新能源大規(guī)模外送，離不開煤電調(diào)峰兜底。新疆準(zhǔn)東3900億噸高堿煤，是全國能源保供的重要支撐，卻極易導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕、爆管，一臺百萬千瓦機組非計劃停運一次，損失就超千萬元。
在甘肅電投常樂電廠，全國最大百萬千瓦火電調(diào)峰基地，結(jié)焦和高溫腐蝕嚴(yán)重影響機組的安全性和經(jīng)濟性。。
2021年，在常樂電廠的大力支持下，雙方建立了深入的產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新機制�？蛇M(jìn)入爐膛施工，遠(yuǎn)比想象中困難。電廠檢修窗口期極短，團隊常常凌晨2點進(jìn)入爐膛，連續(xù)作業(yè)4小時，清晨6點才能出來。
“在有限空間進(jìn)行高空作業(yè)面臨很多挑戰(zhàn)。”高祥虎表示就是在這樣的險境中，團隊聯(lián)合常樂電廠研發(fā)出納米高熵陶瓷防護涂層，突破陶瓷材料導(dǎo)熱率低、熱膨脹不匹配的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)防結(jié)焦、耐高溫腐蝕與節(jié)能增效的耦合。這款水性環(huán)保涂層，耐高溫達(dá)1000℃，附著力強、導(dǎo)熱率高，能讓鍋爐水冷壁遠(yuǎn)離結(jié)焦腐蝕，還能提升發(fā)電效率。經(jīng)西安熱工研究院檢測，爐內(nèi)有效吸熱量提升5.19%，鍋爐熱效率提升 0.46%，供電煤耗降低 1.5g/kWh。按1000MW機組測算，每年節(jié)煤1.5萬噸，減排二氧化碳3.4萬噸。
“最讓我們自豪的是在常樂電廠 1000MW 超超臨界機組，涂層連續(xù)穩(wěn)定運行 3 年，防結(jié)焦、耐高溫腐蝕性能優(yōu)異”高祥虎說。
從2號機組到4號、5號、6號機組，從局部試點到整臺套大規(guī)模應(yīng)用，常樂電廠成為產(chǎn)學(xué)研深度融合的典范。這項技術(shù)不僅解決了疆煤外運的核心痛點，更為河西走廊20余臺百萬千瓦調(diào)峰機組提供了“防護方案”，讓煤電真正成為沙戈荒新能源穩(wěn)定外送的“壓艙石”。
甘肅電投常樂電廠。蘭州化物所供圖。
化學(xué)儲能系統(tǒng)應(yīng)用輻射制冷技術(shù)。蘭州化物所供圖。
護航：無源制冷守護能源裝備，織就沙戈荒“綠色防護網(wǎng)”
高溫、強輻照、大溫差，是沙戈荒地區(qū)能源裝備的“天敵”。電化學(xué)儲能集裝箱夏季表面溫度超80℃，風(fēng)電機艙溫度可達(dá)80℃-90℃，光伏逆變器、光熱塔體長期面臨高溫風(fēng)險，傳統(tǒng)空調(diào)降溫不僅耗電，還難以適配極端環(huán)境。針對這一難題，團隊再次跨界攻關(guān)，研發(fā)出無源輻射制冷關(guān)鍵技術(shù)。
這項技術(shù)無需消耗電能，通過材料設(shè)計，將太陽光高反射、“大氣窗口”高發(fā)射相結(jié)合，把設(shè)備熱量發(fā)射至零下270℃的外太空，實現(xiàn)自主降溫。在格爾木中國綠發(fā)海西多能互補基地，輻射制冷涂層讓儲能集裝箱表面溫差最大達(dá)25℃，日均降低空調(diào)耗電量15%；在光熱電站塔體，高溫高反射涂層降溫幅度達(dá)150-250℃，有效保護熔鹽吸熱器安全運行。
除了熱管理，團隊還瞄準(zhǔn)沙戈荒風(fēng)電葉片磨損難題。西北沙塵莫氏硬度達(dá)6-7，如同“微型玻璃刀”，風(fēng)機葉片運行2-3年就出現(xiàn)膠衣脫落、裂紋，4-5年便進(jìn)入失效高發(fā)期。團隊研發(fā)的彈性防護涂層，耐磨、耐紫外老化性能遠(yuǎn)超進(jìn)口產(chǎn)品，還配套高空原位修復(fù)技術(shù)，在國內(nèi)風(fēng)電機組穩(wěn)定應(yīng)用4年，大幅延長葉片使用壽命，降低運維成本。
從光熱發(fā)電到煤電調(diào)峰，從儲能熱管理到風(fēng)電防護，團隊圍繞沙戈荒新能源基地建設(shè)，形成了覆蓋多場景的能源材料技術(shù)創(chuàng)新體系。十四五期間，團隊完成22項重大工程示范，發(fā)表論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余件，用實打?qū)嵉某晒`行“把科技成果寫在祖國大地上”的誓言。
“沙戈荒能源基地建設(shè)，不僅是裝機規(guī)模的擴張，更是能源體系的底層重構(gòu)。”高祥虎表示，團隊研發(fā)的技術(shù)，有效保障了沙戈荒能源裝備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。
談及未來，高祥虎信心滿滿：“‘十五五’期間，團隊將聚焦沙戈荒能源基地和重點工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳，強力推動現(xiàn)有成果的推廣應(yīng)用，并持續(xù)進(jìn)行技術(shù)迭代：實現(xiàn)火電機組100%全燃新疆高堿煤，進(jìn)一步提升光熱發(fā)電效率，拓展輻射制冷技術(shù)應(yīng)用場景，研發(fā)更適配極端環(huán)境的風(fēng)電防護材料。”同時，依托甘肅省節(jié)能與儲能材料重點實驗室，培養(yǎng)一批青年科研人才，打造國內(nèi)一流的節(jié)能與儲能材料研發(fā)高地。