美国太阳能研究实验室展示了一种创新的聚光太阳能 (CSP) 技术，该技术能够在非常高的温度下运行，并具有稳定的长期储热能力。
三个研究团队参加了由美国能源部资助的为期三年的竞赛，以开发下一代高温CSP：具有长存储时间；能够将成本降低至5美分/每千瓦时；并且能在 700°C 下配合高温布雷顿sCO2动力循环运行。
由桑迪亚领导的团队赢得了2500万美元的资助，使他们能够建立一个更大规模的试验电站，证明他们的设计符合美国能源部的成本和性能目标。
桑迪亚团队的新颖之处在于它将以粒子而非液体的形式传递和储存太阳的热量。粒子技术标志着第三代CSP技术。第一代CSP项目具有基于液体的热能传输，无论是在蒸汽、热油还是熔盐中，最高温度约为600°C。
在全球范围内，包括桑迪亚在内的太阳能工程师一直在开发一种利用太阳热量的新方法。和之前技术不一样，这些新技术使太阳能被吸收并储存在粒子中，这些粒子以各种方式被太阳辐射加热，例如在“水泥搅拌机”类型的接收器中旋转，或者像桑迪亚团队正在做的那样落入敞开的接收器中。太阳能镜场反射阳光并集中到塔顶的接收器上，然后加热粒子将热量转移到储罐和热电转换模块，从而进行发电。
来自：Sandia: Overview and Design Basis for the Gen 3 Particle Pilot Plant (G3P3)
在之前三年里，桑迪亚对1MWt高温颗粒接收器系统的集成设计进行了技术经济分析建模，并表明即使在1到2米的小坠落高度和介于每秒1至7公斤的坠落速度，直接辐照可以非常快速地加热粒子，并且可以实现超过 700°C 的粒子温度。
凭借该项资助，他们现在有机会通过构建试验电站系统来解决规模化后可能存在的工程问题，并运行数千小时来证明设计可行性，同时发现并修复长时间运行之后可能出现的问题。该试验电站的吸热塔将建在现有6兆瓦太阳能定日镜场的桑迪亚试验场。
“第3代颗粒试验工厂的目标是进一步降低我们无法以综合方式测试的一些关键领域的风险，”桑迪亚太阳能热研究首席研究员Cliff Ho说，“最重要的是整合一切，包括在接收器中加热颗粒，并将热量储存在具有至少 6 MWh容量的储罐中，然后从颗粒中取出热量，然后将这些颗粒向上循环。因此，我们将在经过数千小时测试的实际操作环境中证明这一点。这就是我们最终的目标。”
颗粒非常便宜并且与其他传热流体一样耐用，同时高温颗粒和熔盐一样具有优秀的储热能力。与早期的液体储热技术一样，基于粒子的CSP可以在数十年的日常循环中经济高效地储存并释放热量。
来自：Sandia: Overview and Design Basis for the G3P3
但新技术有望比液体具有更多优势，因为它在更高的温度下具有稳定性，这将满足未来电网接纳80%以上间歇性可再生能源的长期储能需求。
高温粒子是CSP的理想选择？
桑迪亚团队提出的颗粒是铝土矿砂，广泛用于石油工业。
“如果需要的话，你可以在这些粒子中储存和保持热量几天，甚至几周，”他说，但观察到大多数CSP电站可能会每晚释放热量发电以获取收入。与熔盐不同，粒子在高达1000°C的高温下保持稳定，使它们能够用于需要高温的太阳能工业用热过程。
“CSP工作温度受熔融硝酸盐温度限制的控制。它们在600°C左右时分解变得不稳定，因此通常只能加热到 565°C。”他说。
还必须防止熔盐在290°C下“凝结”成固体，因此它们的工作温度范围更窄。此外，当过于集中的阳光在液体流经的金属管中产生热点时，熔盐系统中的接收器可能会烧毁。
“但是粒子接收器的一大优势是我们不使用昂贵的金属管状接收器，”Ho 指出，“我们实际上是将颗粒放入由耐火绝缘墙组成的空腔内，如果需要更换，成本也很低。我们的接收器是一个带有开口的盒子，集中的阳光可以通过它进入。如果由于各种原因使后壁或前孔过热并损坏（我们在测试中已经发生过这种情况），它可以很容易地更换。”
同样，无需对管道和储罐进行保温以防止冻结、腐蚀和泄漏。储存这些铝土矿颗粒很简单，它们就像在粮仓中放粮食一样简单地落入储罐中。将使用工业料斗将它们吊回塔顶，以便在接收器中重新加热。同时也不需要昂贵的电加热来防止夜间冻结。
他说：“早上一开机，它们就开始工作，因为粒子仍然很热。粒子的美妙之处在于它们是自绝缘的，粒子的热导率非常低。我们预计一夜之间的温度损失可以限制在不到1%或2%。在大型存储系统中，颗粒温度可能会下降几度。”
快速响应太阳热量变化
桑迪亚团队已经测试并发表了论文，这些论文描述了当这些粒子被阳光直接照射时，如何通过控制接收器中的瞬时流量变化来实现几乎瞬时的温度变化。
“在接收器上方，有一个滑动门，用于控制颗粒进料斗流入接收器的数量。当进入吸热器的辐射量高时，就可以加大粒子流量来吸收能量，从而将温度升高到设计点，比如800°C，”他解释说。
“现在，让我们想象突然有一朵云经过，进入吸热器的辐射量降低。我们可以逐渐关闭滑动门以减少颗粒流量。所以，尽管辐照度变小，因为你的粒子流量也相应变小，你依然可以达到相同的出口温度。”
Cliff Ho
10年内完成商业化
Ho认为，这种将热能储存在粒子中以进行长期能源调度的新一代CSP将在十年内实现商用。
Ho说： “一旦在未来五年左右的时间里，我们让基于粒子的系统降低风险并得到证明，到那个时候，再过五到十年，它将可以与超临界二氧化碳循环相结合。”
DOE资助该项目旨在将新的CSP技术与另一个团队同时开发的sCO2动力系统进行配对。在sCO2布雷顿循环中，CO2在其31°C的临界温度之上和7.39 MPa (1,072 psi) 的压力下在闭环内运行，以获得更经济、更简单和更高效的高温电力系统。核工业也对这种动力循环感兴趣。
“我认为人们强烈希望开发下一代电力循环系统，”他说，“用于100兆瓦蒸汽动力循环的涡轮机很大，而同样100 兆瓦的超临界CO2涡轮机尺寸小得多。”
即使到时候这种sCO2循环还没有商用，桑迪亚团队的高温CSP技术仍然可以与蒸汽动力系统匹配。 “尽管粒子可能达到1000°C，但仍然可以使用粒子将蒸汽加热到600°C左右，就像在传统的熔盐CSP电站中一样。”
