让聚光太阳能更能普及 科学家尝试缩小规模千倍以降低制造成本

发布时间:2018年4月10日

几年来太阳能光伏产业发展迅速,过去3年已新增超过300GW发电量,用途已从公用事业拓展到住宅太阳能系统,发电电价也可与燃煤发电相竞争。相较之下,同为太阳能家族的聚光太阳能热发电(CSP)发展步调就很缓慢,3年内仅增加1.5GW,美国甚至在2015年9月之后都没有加装任何CSP系统。

CSP优势为能在夜间时段将储存起来的热能转化成电,再将电力贩卖给中央电网,以每KWh20美元来计算,其成本可与KWh150美元的锂离子电池竞争。但CSP系统需要广泛的装设土地,建置费用也动辄10亿美元以上,可供给中央电网的电力也稍嫌不足,导致营利效果低于太阳光伏许多,而庞大的建置费用也意味着CSP只能用于公用事业,不像太阳光伏可迅速扩张,进而刺激产业进展。

为提升CSP太阳能发展优势,美国国家再生能源实验室(NREL)与科罗拉多矿业学院(CSM)提出截然不同的新设计。他们将传统的的CSP电厂规模缩小1,000倍,可说是从平均545MW降至0.76MW。为降低成本,团队还采用更廉价的材料和被动热传(heattransfer)机制,并另外设计一个太阳能发电塔,包括新型热储存与动力区块(powerblock)。

系统名为STEALS,透过回收铝来储存热能,每KWh成本可减少至12美元,并采用新型的热流控制方法,利用自带阀门的热虹吸管(valvedthermosyphon)来控制热量传递与传热液(heattransferfluid)。

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(Source:AppliedEnergy)

STEALS使用史特林发动机(Stirlingengine,又称热空气引擎)将热量转换为电力,且由于其规模比传统CSP小,定日镜(heliostat)光转换效率可从66%提升到84%。根据团队预测,该系统年效率更可达24%,不过史特林发动机比朗肯循环(Rankinecycles)小,热能转换效率仅30%。

定日镜首先将阳光反射到STEALS底部的相变材料(PCM),而与PCM连接的钠热管会将热量输送到各个系统中,热管顶部也会与热虹吸管的蒸发器连接。其中液态钠蒸发后会输送到史特林发动机中,并在发动机上方凝结,之后液态钠会再回流至蒸发器。为调节电力输出,调整阀门开关可控制钠流量与从储热器到动力区块的热量。

研究成本分析指出,STEALS可依照功率需求设计产品规模,未来除了可望与太阳能、锂离子电池和燃煤发电厂竞争,也能与风能和太阳光伏互补,加速电网达到100%绿能。该研究已发布在《AppliedEnergy》。

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