今年9月，美國能源部宣布將為這三個技術(shù)方向投資6200萬美元，極大地激發(fā)了人們對太陽能熱發(fā)電這個已經(jīng)不再“熱”的領(lǐng)域的熱情。光熱發(fā)電再次在美國掀起了一股投資和研發(fā)熱潮。

 

近日，來自桑迪亞實驗室的研究者、國家可再生能源實驗室、薩瓦那河國家實驗室以及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。

 

美國桑迪亞國家實驗室所運營的國家太陽能熱發(fā)電測試設(shè)施坐落于美國新墨西哥州阿爾伯克基市的南部邊緣。在這里有一片裝滿了鏡子的場地，中央是一座61米高的鐵塔。研究人員們正在研發(fā)更熱、更便宜、更高效的太陽能熱發(fā)電技術(shù)。

 

技術(shù)人員正在檢查美國國家太陽能熱發(fā)電測試設(shè)施的下落顆粒接收器

 

這里的數(shù)百面鏡子的作用是把陽光聚焦在鐵塔上方的接收器上。在傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，這個接收器里會裝有水、熔鹽或其他液體來進行加熱，產(chǎn)生可以驅(qū)動渦輪發(fā)電機的蒸汽。但是這個接收器并不一般：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，這些顆粒對于提高太陽能熱發(fā)電效率、減少發(fā)電和儲能成本來說至關(guān)重要。

 

這種顆粒是以上提及的三種可能讓太陽能熱發(fā)電變成廉價并可持續(xù)的技術(shù)之一。

 

“在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的所有人都認為這是一次難得的研究機會。”桑迪亞實驗室工程師、下落顆粒項目主要研究員說道。

 

與近幾年急速發(fā)展的太陽能光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(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。因此，太陽能熱發(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的熱能進行發(fā)電。若是沒有昂貴的大型電池，光伏系統(tǒng)是無法實現(xiàn)這樣的發(fā)電方式的。

 

但是太陽能熱發(fā)電最大的問題在于建設(shè)和運營的成本太高。在加州的莫哈韋沙漠里，于2014年建成、擁有17萬面鏡子的伊萬帕太陽能發(fā)電廠的造價為22億美元。但是自上線起，伊萬帕電廠就被高成本、低發(fā)電量、一場火災(zāi)以及公用事業(yè)委員會威脅停產(chǎn)等各種事情所纏繞著。其實早在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)的太陽能熱發(fā)電廠。可惜在政府支持性政策結(jié)束之后，它們?nèi)家驗楦哌\營成本而倒閉了。

 

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，有配套儲能設(shè)施的太陽能熱發(fā)電廠每兆瓦時成本為119～182美元。相比之下，天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠每兆瓦時的成本為48～78美元。據(jù)美國國家可再生能源實驗室2015年發(fā)布的一份報告顯示，后者的每千瓦造價只有前者的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，二氧化碳會同時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》的一篇論文顯示，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的效率將會比傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機高30%。而問題在于，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(tǒng)才能充分發(fā)揮其潛力。