提高太阳能发电效率在于提升温度

　　联邦科研人员认定三种方法能够帮助聚焦型太阳能实现经济可行和持续供应，这种方法（下落颗粒）是其一。今年1月，美国国家可再生能源实验室发布下一代示范路线图，特别指出了下落颗粒、再温熔盐系统和基于气体的热传导液体是实现2020年太阳热能每千瓦时6美分目标（2011年美国能源部在“射日计划”设立该目标）的关键方法。

　　2017年9月，美国能源部宣布将向与这些方法密切相关的数个关键项目投入6200万美元的经费资助，重新激发了大家对这一忽视已久的领域的热情。

　　桑迪亚国家实验室、国家可再生能源实验室、萨凡纳河国家实验室、布雷顿能源公司向《麻省理工科技评论》确认他们已经以个人名义或者团队名义申请了经费资助。立项书申报于上月截止，完整申请将于2018年1月中旬截止。

　　桑迪亚国家实验室下落颗粒项目的工程师兼首席研究员克里弗•何（Cliff Ho，音译）说道：“聚焦型太阳能（CSP）项目中的每一个人都将这次资助视为一次重大的科研机遇。”

　　相比光伏，聚焦型太阳能的巨大优势在于储存热能比储存电能更容易、更实惠，意味着发电厂可通过调控产能来满足电网的实时需求（即使是在晚上），在没有大型、昂贵的电池或者其它储能方式的条件下，太阳能电池板无法达到这样的灵活性。

　　问题在于建造和运营一座聚焦型太阳能发电站开销高昂。与此相关的最新负面案例便是耗资22亿美元、含17万组反射镜的艾文帕发电站，该发电站坐落于加利福尼亚莫哈韦沙漠，由BrightSource能源公司、NRG能源公司和谷歌公司共同拥有。自2014年启动以来，该项目便被高成本、低产能和一场火灾带来的问题所困扰，公用事业委员会扬言要将它关闭。20世纪80年代，Luz 国际公司曾在同一片沙漠地区建造了9个使用上一代技术的聚焦型太阳能发电厂，结果这些耗资巨大的项目却因政府的支持政策失效而告终。Luz 国际公司和BrightSource能源公司皆由阿诺德•戈德曼（Arnold Goldman）创建，戈德曼于今年6月逝世。

　　2016年12月，拉扎德公司通过能源平准价格分析发现，储能式太阳热能高塔的能量产值为每兆瓦时119美元至182美元，而联合循环天然气则为48美元至78美元。国家可再生能源实验室2015年的数据表明，若以千瓦为基准则后者的建设费用为前者的八分之一左右。

　　此前能源部科研人员认为，提升聚焦型太阳能效率和经济性的第一步是将传统的蒸汽动力循环转型为超临界二氧化碳布雷顿循环。高温高压条件下二氧化碳将表现出液体和气体双重属性，并极大提升能源转化效率。

　　2017年5月，《科学》杂志的一篇论文得出结论，超临界二氧化碳布雷顿循环的效率比传统蒸汽机高30%，然而问题是充分发挥此动力循环的效能需要一个至少700 ˚C高温的热源，并且还需能够在这样高温条件下正常运转的传热系统。

　　国家可再生能源实验室特别声明的三种方法的目标都在于提升温度，但每种方法有各自独特的前景和挑战。例如，尽管熔盐方法已经实现，但是选用能在更高温度工作的替代盐意味着需要更耐用的密封材料、管路和泵；尽管气体方法已经可以通过相对容易控制的气体如二氧化碳或者氦气进行，但是降低气体循环所需功耗仍然是亟待研究的问题。

　　在所有方法中，桑迪亚国家实验室的下落颗粒接收器最为接近工作样机。2015年7月，工程师们首次将下落颗粒接收器安装在了国家太阳能热试验设施的高塔上。

　　这些颗粒由氧化铝和氧化铁构成，在下落通过太阳光束之后，它们通过升降机被运回顶部，从而形成回路。桑迪亚国家实验室的何工程师说他们的团队已经实现了900 ˚C高温。

　　尽管在现阶段接收器没有和任何其它部件相连，但是该团队已在和私人承包商共同研发热交换器，用以把颗粒的热量通过连接回路传输到高压二氧化碳。

　　桑迪亚国家实验室的另一支团队已在研发和评估超临界二氧化碳，何的团队已经开始针对聚焦型太阳能设施研制自己的系统，他们准备在3月热交换器抵达之后就和超临界二氧化碳循环系统相连。何工程师表示他希望明年夏天就能启动集成系统。