تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP) مخاليط الملح المنصهر (عادةً 60% NaNO₃ + 40% KNO₃) كسوائل نقل الحرارة، وتعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 500-600 درجة. السخانات الغاطسة الكهربائية مطلوبة لإذابة الملح والحماية من التجميد والتدفئة الإضافية. في درجات الحرارة القصوى هذه، يُظهر التيتانيوم القياسي من الدرجة الثانية قيودًا كبيرة. التيتانيوم من الدرجة 9 (Ti-3Al-2.5V) عبارة عن سبيكة ألفا بيتا تم تطويرها في الأصل للأنابيب الهيدروليكية الفضائية. إنه يوفر مقاومة أعلى بكثير للزحف، ومقاومة الأكسدة، وقوة درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بالدرجة 2 النقية تجاريًا. إن فهم سبب تفوق الدرجة 9 على الدرجة 2 عند 550 درجة أمر ضروري لموثوقية نظام الطاقة الشمسية المركزة.

آلية تحلل التيتانيوم من الدرجة الثانية عند 550 درجة

عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة تقريبًا، يبدأ التيتانيوم من الدرجة الثانية في التأكسد بسرعة في الهواء. تنمو طبقة الأكسيد (TiO₂) بشكل مكافئ، لتصل إلى سمك 50-100 ميكرومتر بعد 1000 ساعة عند 550 درجة. هذا الأكسيد هش ويتناثر بسبب عدم تطابق التمدد الحراري، مما يعرض المعدن الجديد للأكسدة المستمرة. في الوقت نفسه، ينتشر الأكسجين في الركيزة المعدنية، مكونًا طبقة غلاف ألفا-مثرية بالأكسجين. هذه الطبقة صلبة وهشة، مما يقلل من الليونة إلى الصفر تقريبًا. في ظل التدوير الحراري، يحدث التشقق عبر طبقة الحالة ألفا-. يفقد الصف الثاني أيضًا قوة الزحف بشكل كبير فوق 400 درجة، مع انخفاض قوة الخضوع من 280 ميجا باسكال عند درجة حرارة الغرفة إلى حوالي 70 ميجا باسكال عند 550 درجة.

أداء متفوق للتيتانيوم من الدرجة 9 عند درجة حرارة مرتفعة

يحتوي الصف التاسع على 3% ألومنيوم (مقوي للمحلول الصلب ومثبت ألفا) و2.5% فاناديوم (مثبت بيتا). توفر هذه السبائك العديد من المزايا عند 550 درجة:

مقاومة الأكسدة: يشكل الألومنيوم طبقة Al₂O₃ واقية ضمن مقياس TiO₂، مما يقلل معدلات الأكسدة بنسبة 60-75% مقارنة بالصف الثاني.

ألفا-مقاومة الحالة: يؤخر الألومنيوم انتشار الأكسجين في المعدن، مما يقلل من عمق علبة ألفا-بنسبة 50% تقريبًا في نفس وقت التعريض.

قوة الزحف: يحافظ الصف 9 على قوة إنتاج تبلغ حوالي 200 ميجا باسكال عند 550 درجة، أي ما يقرب من ثلاثة أضعاف قوة الصف 2.

الاستقرار الحراري: البنية المجهرية ألفا- بيتا أكثر استقرارًا عند درجات الحرارة المرتفعة من بنية ألفا من الدرجة الثانية.

المقارنة الكمية بين الصف 2 والصف 9 عند 550 درجة

أدى الاختبار الخاضع للرقابة في ملح النترات المنصهر (60% NaNO₃ + 40% KNO₃) عند 550 درجة لمدة 2000 ساعة إلى تحديد اختلافات الأداء التالية:

التطبيق-اختيار درجة التيتانيوم لخدمة CSP

يوفر الجدول التالي إطارًا لاتخاذ القرار لاختيار مادة غمد سخان التيتانيوم بناءً على درجة حرارة الملح المنصهر ومتطلبات التشغيل:

الهندسة خارج اختيار الدرجة

تختلف متطلبات سمك الجدار بين الدرجتين. تتطلب الدرجة الثانية جدرانًا أكثر سمكًا (2.0-2.5 مم) لتوفير بدل أكسدة وتعويض تقصف حالة ألفا-. يمكن للصف التاسع استخدام الجدران القياسية (1.2-1.5 ملم) لأن معدلات الأكسدة أقل والخواص الميكانيكية تظل مستقرة. معامل التمدد الحراري مشابه لكلا الدرجتين (حوالي 9.0–9.5 × 10⁻⁶ / درجة)، لذا فإن توافق شفة التركيب لم يتغير. يتطلب اللحام من الدرجة 9 حماية أكثر دقة للغاز الخامل من الدرجة 2، حيث أن الألومنيوم يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين. المعالجة الحرارية اللاحقة للحام-ليست مطلوبة للدرجة 9 في خدمة الطاقة الشمسية المركزة.

صنع مواصفات مستنيرة

عند تحديد سخان تيتانيوم للملح المنصهر في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة، يجب أن يكون التيتانيوم من الدرجة 9 (Ti-3Al-2.5V) مطابقًا للمواصفة ASTM B861. اطلب شهادة لدرجة حرارة الغرفة-وخصائص الشد في درجات الحرارة المرتفعة. حدد الحد الأدنى لسماكة الجدار بـ 1.5 مم للصف 9 (مقابل . 2.5 مم للصف 2). تتطلب إجراء جميع عمليات اللحام من خلال التطهير الخلفي باستخدام الأرجون بنسبة نقاء 99.999% وألا يتجاوز لون اللحام القش الخفيف وفقًا لـ AWS A5.16. بالنسبة للأنظمة التي تعمل عند 550 درجة بشكل مستمر، حدد طبقة إضافية منتشرة من الألومينيد (يتم تطبيقها عن طريق تدعيم العبوة) لتقليل الأكسدة بشكل أكبر. أثناء التشغيل، قم برفع درجة حرارة السخان ببطء بمقدار 2 درجة / دقيقة إلى 550 درجة للسماح بتكوين أكسيد مستقر. ومن خلال اختيار التيتانيوم من الدرجة 9 بدلاً من الدرجة 2، يضمن المهندس أداءً موثوقًا للسخان طوال عمر التصميم الذي يتراوح بين 20 إلى 30 عامًا للأنظمة الحرارية الشمسية المركزة.