據了解，上述研究屬于新型太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，其工作溫度可達到1000°C左右，幾乎是目前熔鹽塔式光熱發(fā)電系統工作溫度（565°C）的兩倍，有望在提高系統工作效率的同時(shí)降低光熱發(fā)電成本。
冷熱罐均可安裝在集熱塔內部
與塔式熔鹽光熱電站中的儲罐布置方式不同，采用粒子吸熱器的光熱電站的熱罐和冷罐可以與換熱器一起安裝在集熱塔的內部，這樣可以減少泵的使用，從而降低相關(guān)成本。
在一座采用粒子吸熱器的裝機20MW的塔式光熱電站中，集熱塔高150米，直徑約30米，儲罐可垂直安裝于集熱塔內部，冷罐的位置大約在集熱塔中部，在此情況下，只需將吸熱顆粒從塔身中間泵到頂部對其進(jìn)行加熱。
同時(shí)，桑迪亞國家實(shí)驗室研究小組展開(kāi)了一項創(chuàng )新測試，他們通過(guò)設置一種人字形障礙物，減緩了沙粒的下降速率。如果沒(méi)有障礙物的話(huà)，即使只有1米高的落差，沙子的下降速度也會(huì )增至5m/S或6m/S。
在集熱過(guò)程中，受阻的粒子流在吸熱器的各個(gè)集熱面都會(huì )維持密集的“粒子簾”狀態(tài)，并吸收太陽(yáng)輻射。
圖：粒子吸熱器技術(shù)原理（來(lái)源：SUNSHOT）
Al-Ansary團隊的研究人員發(fā)現，由于人字形障礙物的設置，在實(shí)驗室狀態(tài)下，粒子溫度達到了約1000°C，而且沒(méi)有出現沙粒結塊現象，甚至在小試裝置中也達到了700°C以上的溫度。
圖：設置人字形障礙物減緩粒子下降速率（來(lái)源：桑迪亞國家實(shí)驗室）
沙子或為最佳粒子選擇
配置儲熱系統的塔式光熱電站順應未來(lái)低碳發(fā)展的需要，并能實(shí)現24小時(shí)發(fā)電。粒子吸熱器技術(shù)有可能降低塔式光熱發(fā)電的成本，因為它可以將現有565°C的熔鹽工質(zhì)運行溫度提高近一倍。
高溫意味著(zhù)高效。粒子吸熱器能夠與高效率的超臨界二氧化碳和吸氣式布雷頓動(dòng)力循環(huán)相匹配，使太陽(yáng)能在高溫熱化學(xué)過(guò)程中取代化石燃料，比如滿(mǎn)足在800°C的溫度下分解水以提取氫氣或在1300℃下的噴氣燃料中制造碳中性太陽(yáng)能燃料。
目前，研究人員已經(jīng)研究了多種類(lèi)型的粒子，而在此過(guò)程中，沙子的低成本優(yōu)勢得以顯現。當系統輸出功率為5MW時(shí)，這種粒子吸熱器將需要2000噸沙子進(jìn)行循環(huán)工作。
Al-Ansary指出：“我們對沙子工質(zhì)十分感興趣，因為無(wú)論用量多大，你都無(wú)需考慮其成本問(wèn)題。”一定程度上來(lái)說(shuō)，一些材料，特別是工程粒子可能在初始投資中占據相當的比重。“當你需要數千噸工程粒子時(shí)，你可能需要投入較高的資金。”
沙特電力公司助力粒子吸熱器技術(shù)走向商業(yè)化
一直以來(lái)，有很多清潔能源領(lǐng)域的創(chuàng )新性研究在實(shí)驗室研究獲得成功后，由于缺乏商業(yè)化試驗而導致相關(guān)技術(shù)最終“流產(chǎn)”。然而粒子吸熱器研究小組非常幸運，他們得到了沙特電力公司的支持，并可以積極開(kāi)展相關(guān)工作。
目前，沙特電力公司正在資助和協(xié)助研究小組利用紅砂作為吸熱介質(zhì)開(kāi)展研究工作，并致力于推動(dòng)該項目于2018年進(jìn)入商業(yè)化測試階段，這對該技術(shù)的推廣至關(guān)重要。
與熔鹽儲熱類(lèi)似，沙子每天損失的能量不到其儲存能量的1％，但是其溫度幾乎可以達到熔鹽工質(zhì)的兩倍。Al-Ansary表示，這是其對粒子吸熱器感興趣的主要原因，同時(shí)他本人擁有15項專(zhuān)利，相關(guān)研究成果還在一些行業(yè)期刊上獲得發(fā)布。
“熔鹽工作溫度限制在565°C左右。”他說(shuō)，“但是，采用不同種類(lèi)的粒子作為吸熱介質(zhì)，可以獲得更高的溫度，甚至高達1000°C。我們小組采用不同的圍護結構設計，使用簡(jiǎn)單的砌筑材料和隔熱性能良好的箱體，能夠實(shí)現每天的熱損失降低到1％以下。”
全球首臺商業(yè)化粒子吸熱器擬于2018年年中開(kāi)始制造
據了解，沙特電力公司將制造世界上第一臺商業(yè)化粒子吸熱器，并計劃在1月和2月完成最后的原型測試后，于2018年年中付諸實(shí)施。
“沙特電力公司表示，他們正在準備下一個(gè)階段，大概輸出功率約5MW，并希望能成功發(fā)電以出售電力。”他說(shuō)。
“一旦我們完成了對KSU小型100kW電力設施的測試，且測試結果得到確認，沙特電力公司便可以開(kāi)展他們的工作了。”
“事實(shí)上，沙特電力公司的部分工程師每天會(huì )和我們一起開(kāi)展研究工作，并進(jìn)行一定程度地調整。在我們的共同努力下，我們可以確保粒子吸熱器的設計是成熟的。當我們進(jìn)入第三階段的工作時(shí)，其將完全實(shí)現商業(yè)化。”
另外，桑迪亞國家實(shí)驗室建設的光熱發(fā)電系統鏡場(chǎng)面積更大，這對早期測試起著(zhù)非常重要的作用。雖然位于利雅得的測試設備較小，但是其可以作為完整的發(fā)電系統（含換熱器和燃氣輪機系統）進(jìn)行全流程演示。
缺乏電力的沙特偏遠地區市場(chǎng)潛力巨大
事實(shí)上，除利雅得外，沙特阿拉伯的部分缺乏電力的偏遠地區太陽(yáng)能資源也十分豐富（DNI值約為2600kwh/㎡/y），適宜開(kāi)發(fā)光熱電站。
Al-Ansary說(shuō)：“沙特國家電網(wǎng)事業(yè)部對這個(gè)想法十分感興趣，因為我國許多偏遠地區都缺乏電力，這些地區至多建設裝機5MW或者10MW的燃氣電站。“他們告訴我，這些地區大約需要1GW的裝機量，因此他們可以建造約200座大小的電站。”
與熔鹽塔式光熱發(fā)電系統不同，燃氣電站利用熱壓縮空氣進(jìn)行發(fā)電，目前裝機5MW的燃氣電站已實(shí)現商業(yè)化應用。這種渦輪機已通過(guò)歐盟直接燃氣加熱接收器的測試。這種經(jīng)過(guò)驗證的設計與光熱發(fā)電的粒子吸熱器的設計概念相契合，只需在設計上進(jìn)行些許更改。
正如Al-Ansary所述，這項研究從實(shí)驗室規模到走向商業(yè)化是一個(gè)不尋常的過(guò)程，需要冷靜與信心。盡管創(chuàng )新的清潔技術(shù)對于創(chuàng )造一個(gè)宜居的環(huán)境至關(guān)重要，但是要實(shí)現輕松的跨越絕非易事。“但是，幸運的是，我們獲得了支持。”Al-Ansary補充道。
