太阳能热发电将在美国重新崛起？科学家们正在努力提高其集热温度

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在美国新墨西哥州阿尔伯克基市的南部边缘有一片装满了镜子的场地。在这片场地的中央是一座 61 米高的铁塔。这里是由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。在这里，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。

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。

这种颗粒只是三种可能让太阳能热发电变成廉价并可持续的技术之一。去年 1 月，美国国家可再生能源实验室发表了太阳能热发电的下一代示范技术路线图。其中包含了下落颗粒（Falling Particles）、更高温熔盐系统、基于气体的热交换液体，这三种极有潜力的技术。他们的目标是按照美国能源部于 2011 年所公布的“射日计划”，在 2020 年将太阳能热发电每千瓦时的成本降至 6 美分。

图 | 技术人员 John Kelton 和 Daniel Ray 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

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。

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。投资申请所需的项目概念论文的截止日期为 11 月初，而完整的申请报告的截止日期则为 2018 年 1 月中旬。

“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、下落颗粒项目的主要研究员 Cliff Ho 对此说道。

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，Luz International 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。

美国国家可再生能源实验室给出的三种技术都是为了提高集热的温度。而每种技术都有各自的潜力和缺陷。熔盐已经属于可用技术了，但是若是想要使用工作温度更高的熔盐，则将需要更耐用的密封材料、管道和泵。气体技术则可以使用二氧化碳和氦这种相对来说更容易管理的气体，但是研究人员还需要进行更多的研究，以尽量减少气体循环时的能量消耗。

桑迪亚实验室的下落颗粒接收器，是根据三种技术中最接近可以工作的设计原型建造的。工程师们在 2015 年 7 月就把它架在了国家太阳能热发电测试设施的中央塔上。

它所使用的颗粒主要是由氧化铝和氧化铁所组成的。当它们从聚焦阳光中下落之后，它们会被一个电梯运回顶端继续循环。桑迪亚实验室工程师 Cliff Ho 表示，他们曾经实现过 900°C 的高温。

在目前的阶段，这个接收器并没有与任何其他设备进行连接。但是桑迪亚的团队正在与私人承包商进行合作，计划开发一款可以将颗粒的热量交换给加压闭环内流动的二氧化碳的热交换机。

与此同时，桑迪亚实验室的另外一个团队正在开发和测试超临界二氧化碳循环。不过，Cliff Ho 的团队选择为他们的太阳能热发电设施独自开发一个专用的循环系统。他们计划在明年 3 月份完成热交换器的制造，并在之后的不久完成二氧化碳循环系统的制造。如果一切按照计划实现，明年夏天他们的整个系统就能进行整体测试了。

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编辑：陈翔宇   

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