光熱不“熱”？太陽(yáng)能熱發(fā)電將在美國(guó)重新崛起

:在美國(guó)新墨西哥州阿爾伯克基市的南部邊緣有一片裝滿了鏡子的場(chǎng)地。在這片場(chǎng)地的中央是一座61米高的鐵塔。這里是由美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所運(yùn)營(yíng)的國(guó)家太陽(yáng)能熱發(fā)電測(cè)試設(shè)施。在這里，研究人員們正在研發(fā)更熱、更便宜、更高效的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。

這里的數(shù)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(tǒng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)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(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)的蒸汽。但是這個(gè)接收器并不一般：它的內(nèi)部是一道持續(xù)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(tǒng)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(duì)于提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率、減少發(fā)電和儲(chǔ)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(xù)的技術(shù)之一。去年1月，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了太陽(yáng)能熱發(fā)電的下一代示范技術(shù)路線圖。其中包含了下落顆粒（FallingParticles）、更高溫熔鹽系統(tǒng)、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(biāo)是按照美國(guó)能源部于2011年所公布的“射日計(jì)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(guó)國(guó)家太陽(yáng)能熱發(fā)電測(cè)試設(shè)施的下落顆粒接收器

今年9月，美國(guó)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(duì)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(yàn)室的研究者、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、薩瓦那河國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及Brayton能源公司都與《麻省理工科技評(píng)論》確認(rèn)了他們已經(jīng)向能源部提交了投資申請(qǐng)。投資申請(qǐng)所需的項(xiàng)目概念論文的截止日期為11月初，而完整的申請(qǐng)報(bào)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(rèn)為這是一次難得的研究機(jī)會(huì)。”桑迪亞實(shí)驗(yàn)室工程師、下落顆粒項(xiàng)目的主要研究員CliffHo對(duì)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(shì)就是熱能的存儲(chǔ)比電能更容易，也更廉價(jià)。因此，太陽(yáng)能熱發(fā)電廠可以隨著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(chǔ)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(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(shè)和運(yùn)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)電廠的造價(jià)為22億美元。但是自上線起，伊萬(wàn)帕電廠就被高成本、低發(fā)電量、一場(chǎng)火災(zāi)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。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?？上г谡С中哉呓Y(jié)束之后，它們?nèi)家驗(yàn)楦哌\(yùn)營(yíng)成本而倒閉了。

據(jù)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(chǔ)能設(shè)施的太陽(yáng)能熱發(fā)電廠每兆瓦時(shí)成本為119～182美元。相比之下，天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠每兆瓦時(shí)的成本為48～78美元。據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室2015年發(fā)布的一份報(bào)告顯示，后者的每千瓦造價(jià)只有前者的1/8。

美國(guó)能源部的研究人員曾證明，若想提高太陽(yáng)能熱發(fā)電廠的效率，首先需要從傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)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(yùn)行的熱交換系統(tǒng)才能充分發(fā)揮其潛力。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)室的下落顆粒接收器，是根據(jù)三種技術(shù)中最接近可以工作的設(shè)計(jì)原型建造的。工程師們?cè)?015年7月就把它架在了國(guó)家太陽(yáng)能熱發(fā)電測(cè)試設(shè)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(dāng)它們從聚焦陽(yáng)光中下落之后，它們會(huì)被一個(gè)電梯運(yùn)回頂端繼續(xù)循環(huán)。桑迪亞實(shí)驗(yàn)室工程師CliffHo表示，他們?cè)?jīng)實(shí)現(xiàn)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(shè)備進(jìn)行連接。但是桑迪亞的團(tuán)隊(duì)正在與私人承包商進(jìn)行合作，計(jì)劃開發(fā)一款可以將顆粒的熱量交換給加壓閉環(huán)內(nèi)流動(dòng)的二氧化碳的熱交換機(jī)。

與此同時(shí)，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的另外一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)和測(cè)試超臨界二氧化碳循環(huán)。不過(guò)，CliffHo的團(tuán)隊(duì)選擇為他們的太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)施獨(dú)自開發(fā)一個(gè)專用的循環(huán)系統(tǒng)。他們計(jì)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(tǒng)的制造。如果一切按照計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，明年夏天他們的整個(gè)系統(tǒng)就能進(jìn)行整體測(cè)試了。

原標(biāo)題:太陽(yáng)能熱發(fā)電將在美國(guó)重新崛起？科學(xué)家們正在努力提高其集熱溫度