光热不“热”？太阳能热发电将在美国重新崛起

 

今年9月，美国能源部宣布将为这三个技术方向投资6200万美元，极大地激发了人们对太阳能热发电这个已经不再“热”的领域的热情。光热发电再次在美国掀起了一股投资和研发热潮。

 

近日，来自桑迪亚实验室的研究者、国家可再生能源实验室、萨瓦那河国家实验室以及Brayton能源公司都与《麻省理工科技评论》确认了他们已经向能源部提交了投资申请。

 

美国桑迪亚国家实验室所运营的国家太阳能热发电测试设施坐落于美国新墨西哥州阿尔伯克基市的南部边缘。在这里有一片装满了镜子的场地，中央是一座61米高的铁塔。研究人员们正在研发更热、更便宜、更高效的太阳能热发电技术。

 

技术人员正在检查美国国家太阳能热发电测试设施的下落颗粒接收器

 

这里的数百面镜子的作用是把阳光聚焦在铁塔上方的接收器上。在传统的太阳能热发电系统中，这个接收器里会装有水、熔盐或其他液体来进行加热，产生可以驱动涡轮发电机的蒸汽。但是这个接收器并不一般：它的内部是一道持续下落的“陶瓷颗粒帘”。不要小瞧这些看起来就像黑色砂砾的人造颗粒，与传统液体相比，它们可以轻松加热到比液体的最高温度还要高100°C。因此，这些颗粒对于提高太阳能热发电效率、减少发电和储能成本来说至关重要。

 

这种颗粒是以上提及的三种可能让太阳能热发电变成廉价并可持续的技术之一。

 

“在太阳能热发电领域的所有人都认为这是一次难得的研究机会。”桑迪亚实验室工程师、下落颗粒项目主要研究员说道。

 

与近几年急速发展的太阳能光伏发电相比，太阳能热发电最大的优势就是热能的存储比电能更容易，也更廉价。因此，太阳能热发电厂可以随着电力需求的变化而提高或降低发电量，在晚上也可以使用存储的热能进行发电。若是没有昂贵的大型电池，光伏系统是无法实现这样的发电方式的。

 

但是太阳能热发电最大的问题在于建设和运营的成本太高。在加州的莫哈韦沙漠里，于2014年建成、拥有17万面镜子的伊万帕太阳能发电厂的造价为22亿美元。但是自上线起，伊万帕电厂就被高成本、低发电量、一场火灾以及公用事业委员会威胁停产等各种事情所缠绕着。其实早在1980年代，LuzInternational公司曾在同一片沙漠里建立了9座使用早期技术的太阳能热发电厂。可惜在政府支持性政策结束之后，它们全都因为高运营成本而倒闭了。

 

据拉扎德公司去年12月份发表的一份平均能源成本分析显示，有配套储能设施的太阳能热发电厂每兆瓦时成本为119～182美元。相比之下，天然气联合循环发电厂每兆瓦时的成本为48～78美元。据美国国家可再生能源实验室2015年发布的一份报告显示，后者的每千瓦造价只有前者的1/8。

 

美国能源部的研究人员曾证明，若想提高太阳能热发电厂的效率，首先需要从传统的蒸汽涡轮发电变成超临界二氧化碳布雷顿循环，即在高温高压的环境下，二氧化碳会同时拥有液体和气体的特征，而这将极大地提高其能量转换率。

 

今年5月份发表于《科学》的一篇论文显示，超临界二氧化碳布雷顿循环的效率将会比传统的蒸汽涡轮机高30%。而问题在于，这种新型能量循环需要至少700°C以上的温度，以及可以在这样高温下运行的热交换系统才能充分发挥其潜力。