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在美國新墨西哥州阿爾伯克基市的南部邊緣有一片裝滿了鏡子的場地。在這片場地的中央是一座61米高的鐵塔。這里是由美國桑迪亞國家實驗室所運營的國家太陽能熱發電測試設施。在這里，研究人員們正在研發更熱、更便宜、更高效的太陽能熱發電技術。
這里的數百面鏡子的作用是把陽光聚焦在鐵塔上方的接收器上。在傳統的太陽能熱發電系統中，這個接收器里會裝有水、熔鹽或其他液體來進行加熱，產生可以驅動渦輪發電機的蒸汽。但是這個接收器并不一般：它的內部是一道持續下落的“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電效率、減少發電和儲能成本來說至關重要。
這種顆粒只是三種可能讓太陽能熱發電變成廉價并可持續的技術之一。去年1月，美國國家可再生能源實驗室發表了太陽能熱發電的下一代示范技術路線圖。其中包含了下落顆粒(FallingParticles)、更高溫熔鹽系統、基于氣體的熱交換液體，這三種極有潛力的技術。他們的目標是按照美國能源部于2011年所公布的“射日計劃”，在2020年將太陽能熱發電每千瓦時的成本降至6美分。
圖|技術人員JohnKelton和DanielRay正在檢查美國國家太陽能熱發電測試設施的下落顆粒接收器
今年9月，美國能源部宣布將為這三個技術方向投資6200萬美元，極大地激發了人們對太陽能熱發電這個已經不再“熱”的領域的熱情。
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》確認了他們已經向能源部提交了投資申請。投資申請所需的項目概念論文的截止日期為11月初，而完整的申請報告的截止日期則為2018年1月中旬。
“在太陽能熱發電領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、下落顆粒項目的主要研究員CliffHo對此說道。
與近幾年急速發展的太陽能光伏發電相比，太陽能熱發電最大的優勢就是熱能的存儲比電能更容易，也更廉價。因此，太陽能熱發電廠可以隨著電力需求的變化而提高或降低發電量，在晚上也可以使用存儲的熱能進行發電。若是沒有昂貴的大型電池，光伏系統是無法實現這樣的發電方式的。
但是太陽能熱發電最大的問題在于建設和運營的成本太高。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、低發電量、一場火災以及公用事業委員會威脅停產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座使用早期技術的太陽能熱發電廠?？上г谡С中哉呓Y束之后，它們全都因為高運營成本而倒閉了。
據拉扎德公司去年12月份發表的一份平均能源成本分析顯示，有配套儲能設施的太陽能熱發電廠每兆瓦時成本為119～182美元。相比之下，天然氣聯合循環發電廠每兆瓦時的成本為48～78美元。據美國國家可再生能源實驗室2015年發布的一份報告顯示，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電廠的效率，首先需要從傳統的蒸汽渦輪發電變成超臨界二氧化碳布雷頓循環，即在高溫高壓的環境下，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換率。
今年5月份發表于《科學》的一篇論文顯示，超臨界二氧化碳布雷頓循環的效率將會比傳統的蒸汽渦輪機高30%。而問題在于，這種新型能量循環需要至少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才能充分發揮其潛力。
美國國家可再生能源實驗室給出的三種技術都是為了提高集熱的溫度。而每種技術都有各自的潛力和缺陷。熔鹽已經屬于可用技術了，但是若是想要使用工作溫度更高的熔鹽，則將需要更耐用的密封材料、管道和泵。氣體技術則可以使用二氧化碳和氦這種相對來說更容易管理的氣體，但是研究人員還需要進行更多的研究，以盡量減少氣體循環時的能量消耗。
桑迪亞實驗室的下落顆粒接收器，是根據三種技術中最接近可以工作的設計原型建造的。工程師們在2015年7月就把它架在了國家太陽能熱發電測試設施的中央塔上。
它所使用的顆粒主要是由氧化鋁和氧化鐵所組成的。當它們從聚焦陽光中下落之后，它們會被一個電梯運回頂端繼續循環。桑迪亞實驗室工程師CliffHo表示，他們曾經實現過900°C的高溫。
在目前的階段，這個接收器并沒有與任何其他設備進行連接。但是桑迪亞的團隊正在與私人承包商進行合作，計劃開發一款可以將顆粒的熱量交換給加壓閉環內流動的二氧化碳的熱交換機。
與此同時，桑迪亞實驗室的另外一個團隊正在開發和測試超臨界二氧化碳循環。不過，CliffHo的團隊選擇為他們的太陽能熱發電設施獨自開發一個專用的循環系統。他們計劃在明年3月份完成熱交換器的制造，并在之后的不久完成二氧化碳循環系統的制造。如果一切按照計劃實現，明年夏天他們的整個系統就能進行整體測試了。
這里的數百面鏡子的作用是把陽光聚焦在鐵塔上方的接收器上。在傳統的太陽能熱發電系統中，這個接收器里會裝有水、熔鹽或其他液體來進行加熱，產生可以驅動渦輪發電機的蒸汽。但是這個接收器并不一般：它的內部是一道持續下落的“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電效率、減少發電和儲能成本來說至關重要。
這種顆粒只是三種可能讓太陽能熱發電變成廉價并可持續的技術之一。去年1月，美國國家可再生能源實驗室發表了太陽能熱發電的下一代示范技術路線圖。其中包含了下落顆粒(FallingParticles)、更高溫熔鹽系統、基于氣體的熱交換液體，這三種極有潛力的技術。他們的目標是按照美國能源部于2011年所公布的“射日計劃”，在2020年將太陽能熱發電每千瓦時的成本降至6美分。
圖|技術人員JohnKelton和DanielRay正在檢查美國國家太陽能熱發電測試設施的下落顆粒接收器
今年9月，美國能源部宣布將為這三個技術方向投資6200萬美元，極大地激發了人們對太陽能熱發電這個已經不再“熱”的領域的熱情。
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》確認了他們已經向能源部提交了投資申請。投資申請所需的項目概念論文的截止日期為11月初，而完整的申請報告的截止日期則為2018年1月中旬。
“在太陽能熱發電領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、下落顆粒項目的主要研究員CliffHo對此說道。
與近幾年急速發展的太陽能光伏發電相比，太陽能熱發電最大的優勢就是熱能的存儲比電能更容易，也更廉價。因此，太陽能熱發電廠可以隨著電力需求的變化而提高或降低發電量，在晚上也可以使用存儲的熱能進行發電。若是沒有昂貴的大型電池，光伏系統是無法實現這樣的發電方式的。
但是太陽能熱發電最大的問題在于建設和運營的成本太高。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、低發電量、一場火災以及公用事業委員會威脅停產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座使用早期技術的太陽能熱發電廠?？上г谡С中哉呓Y束之后，它們全都因為高運營成本而倒閉了。
據拉扎德公司去年12月份發表的一份平均能源成本分析顯示，有配套儲能設施的太陽能熱發電廠每兆瓦時成本為119～182美元。相比之下，天然氣聯合循環發電廠每兆瓦時的成本為48～78美元。據美國國家可再生能源實驗室2015年發布的一份報告顯示，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電廠的效率，首先需要從傳統的蒸汽渦輪發電變成超臨界二氧化碳布雷頓循環，即在高溫高壓的環境下，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換率。
今年5月份發表于《科學》的一篇論文顯示，超臨界二氧化碳布雷頓循環的效率將會比傳統的蒸汽渦輪機高30%。而問題在于，這種新型能量循環需要至少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才能充分發揮其潛力。
美國國家可再生能源實驗室給出的三種技術都是為了提高集熱的溫度。而每種技術都有各自的潛力和缺陷。熔鹽已經屬于可用技術了，但是若是想要使用工作溫度更高的熔鹽，則將需要更耐用的密封材料、管道和泵。氣體技術則可以使用二氧化碳和氦這種相對來說更容易管理的氣體，但是研究人員還需要進行更多的研究，以盡量減少氣體循環時的能量消耗。
桑迪亞實驗室的下落顆粒接收器，是根據三種技術中最接近可以工作的設計原型建造的。工程師們在2015年7月就把它架在了國家太陽能熱發電測試設施的中央塔上。
它所使用的顆粒主要是由氧化鋁和氧化鐵所組成的。當它們從聚焦陽光中下落之后，它們會被一個電梯運回頂端繼續循環。桑迪亞實驗室工程師CliffHo表示，他們曾經實現過900°C的高溫。
在目前的階段，這個接收器并沒有與任何其他設備進行連接。但是桑迪亞的團隊正在與私人承包商進行合作，計劃開發一款可以將顆粒的熱量交換給加壓閉環內流動的二氧化碳的熱交換機。
與此同時，桑迪亞實驗室的另外一個團隊正在開發和測試超臨界二氧化碳循環。不過，CliffHo的團隊選擇為他們的太陽能熱發電設施獨自開發一個專用的循環系統。他們計劃在明年3月份完成熱交換器的制造，并在之后的不久完成二氧化碳循環系統的制造。如果一切按照計劃實現，明年夏天他們的整個系統就能進行整體測試了。
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