這里的數百面鏡子的作用是把陽(yáng)光聚焦在鐵塔上方的接收器上。在傳統的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統中，這個(gè)接收器里會(huì )裝有水、熔鹽或其他液體來(lái)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生可以驅動(dòng)渦輪發(fā)電機的蒸汽。但是這個(gè)接收器并不一般：它的內部是一道持續下落的“陶瓷顆粒簾”。不要小瞧這些看起來(lái)就像黑色砂礫的人造顆粒，與傳統液體相比，它們可以輕松加熱到比液體的最高溫度還要高100°C。因此，這些顆粒對于提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率、減少發(fā)電和儲能成本來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
這種顆粒只是三種可能讓太陽(yáng)能熱發(fā)電變成廉價(jià)并可持續的技術(shù)之一。去年1月，美國國家可再生能源實(shí)驗室發(fā)表了太陽(yáng)能熱發(fā)電的下一代示范技術(shù)路線(xiàn)圖。其中包含了下落顆粒（FallingParticles）、更高溫熔鹽系統、基于氣體的熱交換液體，這三種極有潛力的技術(shù)。他們的目標是按照美國能源部于2011年所公布的“射日計劃”，在2020年將太陽(yáng)能熱發(fā)電每千瓦時(shí)的成本降至6美分。
圖|技術(shù)人員JohnKelton和DanielRay正在檢查美國國家太陽(yáng)能熱發(fā)電測試設施的下落顆粒接收器
今年9月，美國能源部宣布將為這三個(gè)技術(shù)方向投資6200萬(wàn)美元，極大地激發(fā)了人們對太陽(yáng)能熱發(fā)電這個(gè)已經(jīng)不再“熱”的領(lǐng)域的熱情。
近日，來(lái)自桑迪亞實(shí)驗室的研究者、國家可再生能源實(shí)驗室、薩瓦那河國家實(shí)驗室以及Brayton能源公司都與《麻省理工科技評論》確認了他們已經(jīng)向能源部提交了投資申請。投資申請所需的項目概念論文的截止日期為11月初，而完整的申請報告的截止日期則為2018年1月中旬。
“在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的所有人都認為這是一次難得的研究機會(huì )。”桑迪亞實(shí)驗室工程師、下落顆粒項目的主要研究員CliffHo對此說(shuō)道。
與近幾年急速發(fā)展的太陽(yáng)能光伏發(fā)電相比，太陽(yáng)能熱發(fā)電最大的優(yōu)勢就是熱能的存儲比電能更容易，也更廉價(jià)。因此，太陽(yáng)能熱發(fā)電廠(chǎng)可以隨著(zhù)電力需求的變化而提高或降低發(fā)電量，在晚上也可以使用存儲的熱能進(jìn)行發(fā)電。若是沒(méi)有昂貴的大型電池，光伏系統是無(wú)法實(shí)現這樣的發(fā)電方式的。
但是太陽(yáng)能熱發(fā)電最大的問(wèn)題在于建設和運營(yíng)的成本太高。在加州的莫哈韋沙漠里，于2014年建成、擁有17萬(wàn)面鏡子的伊萬(wàn)帕太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)的造價(jià)為22億美元。但是自上線(xiàn)起，伊萬(wàn)帕電廠(chǎng)就被高成本、低發(fā)電量、一場(chǎng)火災以及公用事業(yè)委員會(huì )威脅停產(chǎn)等各種事情所纏繞著(zhù)。其實(shí)早在1980年代，LuzInternational公司曾在同一片沙漠里建立了9座使用早期技術(shù)的太陽(yáng)能熱發(fā)電廠(chǎng)?？上г谡С中哉呓Y束之后，它們全都因為高運營(yíng)成本而倒閉了。
據拉扎德公司去年12月份發(fā)表的一份平均能源成本分析顯示，有配套儲能設施的太陽(yáng)能熱發(fā)電廠(chǎng)每兆瓦時(shí)成本為119～182美元。相比之下，天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)每兆瓦時(shí)的成本為48～78美元。據美國國家可再生能源實(shí)驗室2015年發(fā)布的一份報告顯示，后者的每千瓦造價(jià)只有前者的1/8。
美國能源部的研究人員曾證明，若想提高太陽(yáng)能熱發(fā)電廠(chǎng)的效率，首先需要從傳統的蒸汽渦輪發(fā)電變成超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，即在高溫高壓的環(huán)境下，二氧化碳會(huì )同時(shí)擁有液體和氣體的特征，而這將極大地提高其能量轉換率。
今年5月份發(fā)表于《科學(xué)》的一篇論文顯示，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的效率將會(huì )比傳統的蒸汽渦輪機高30%。而問(wèn)題在于，這種新型能量循環(huán)需要至少700°C以上的溫度，以及可以在這樣高溫下運行的熱交換系統才能充分發(fā)揮其潛力。
美國國家可再生能源實(shí)驗室給出的三種技術(shù)都是為了提高集熱的溫度。而每種技術(shù)都有各自的潛力和缺陷。熔鹽已經(jīng)屬于可用技術(shù)了，但是若是想要使用工作溫度更高的熔鹽，則將需要更耐用的密封材料、管道和泵。氣體技術(shù)則可以使用二氧化碳和氦這種相對來(lái)說(shuō)更容易管理的氣體，但是研究人員還需要進(jìn)行更多的研究，以盡量減少氣體循環(huán)時(shí)的能量消耗。
桑迪亞實(shí)驗室的下落顆粒接收器，是根據三種技術(shù)中最接近可以工作的設計原型建造的。工程師們在2015年7月就把它架在了國家太陽(yáng)能熱發(fā)電測試設施的中央塔上。
它所使用的顆粒主要是由氧化鋁和氧化鐵所組成的。當它們從聚焦陽(yáng)光中下落之后，它們會(huì )被一個(gè)電梯運回頂端繼續循環(huán)。桑迪亞實(shí)驗室工程師CliffHo表示，他們曾經(jīng)實(shí)現過(guò)900°C的高溫。
在目前的階段，這個(gè)接收器并沒(méi)有與任何其他設備進(jìn)行連接。但是桑迪亞的團隊正在與私人承包商進(jìn)行合作，計劃開(kāi)發(fā)一款可以將顆粒的熱量交換給加壓閉環(huán)內流動(dòng)的二氧化碳的熱交換機。
與此同時(shí)，桑迪亞實(shí)驗室的另外一個(gè)團隊正在開(kāi)發(fā)和測試超臨界二氧化碳循環(huán)。不過(guò)，CliffHo的團隊選擇為他們的太陽(yáng)能熱發(fā)電設施獨自開(kāi)發(fā)一個(gè)專(zhuān)用的循環(huán)系統。他們計劃在明年3月份完成熱交換器的制造，并在之后的不久完成二氧化碳循環(huán)系統的制造。如果一切按照計劃實(shí)現，明年夏天他們的整個(gè)系統就能進(jìn)行整體測試了。
