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。光熱發電再次在美國掀起了一股投資和研發熱潮。

 

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電測試設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更熱、更便宜、更高效的太陽能熱發電技術。

 

技術人員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

 

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。

 

這種顆粒是以上提及的三種可能讓太陽能熱發電變成廉價并可持續的技術之一。

 

“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、下落顆粒項目主要研究員說道。

 

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。可惜在政府支持性政策結束之后，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。