讓聚光太陽更能普及,科學家試著縮小規模千倍以降低製造成本

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 06 日 0:00 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

近幾年來太陽能光伏產業發展迅速,過去 3 年已新增超過 300GW 發電量,用途已從公用事業拓展到住宅太陽能系統,發電電價也可與燃煤發電相競爭。相較之下,同為太陽能家族的聚光太陽能熱發電(CSP)發展步調就很緩慢,3 年內僅增加 1.5GW,美國甚至在 2015 年 9 月之後都沒有加裝任何 CSP 系統。




CSP 優勢為能在夜間時段將儲存起來的熱能轉化成電,再將電力販賣給中央電網,以每 KWh 20 美元來計算,其成本可與 KWh 150 美元的鋰離子電池競爭。但 CSP 系統需要廣泛的裝設土地,建置費用也動輒 10 億美元以上,可供給中央電網的電力也稍嫌不足,導致營利效果低於太陽光伏許多,而龐大的建置費用也意味著 CSP 只能用於公用事業,不像太陽光伏可迅速擴張,進而刺激產業進展。

為提升 CSP 太陽能發展優勢,美國國家再生能源實驗室(NREL)與科羅拉多礦業學院(CSM)提出截然不同的新設計。他們將傳統的的 CSP 電廠規模縮小 1,000 倍,可說是從平均 545 MW降至 0.76 MW。為降低成本,團隊還採用更廉價的材料和被動熱傳(heat transfer)機制,並另外設計一個太陽能發電塔,包括新型熱儲存與動力區塊(power block)。

系統名為 STEALS,透過回收鋁來儲存熱能,每 KWh 成本可減少至 12 美元,並採用新型的熱流控制方法,利用自帶閥門的熱虹吸管(valved thermosyphon)來控制熱量傳遞與傳熱液(heat transfer fluid)。

(Source:Applied Energy

STEALS 使用史特林發動機(Stirling engine,又稱熱空氣引擎)將熱量轉換為電力,且由於其規模比傳統 CSP 小,定日鏡(heliostat)光轉換效率可從 66% 提升到 84%。根據團隊預測,該系統年效率更可達 24%,不過史特林發動機比朗肯循環(Rankine cycles)小,熱能轉換效率僅 30%。

定日鏡首先將陽光反射到 STEALS 底部的相變材料(PCM),而與 PCM 連接的鈉熱管會將熱量輸送到各個系統中,熱管頂部也會與熱虹吸管的蒸發器連接。其中液態鈉蒸發後會輸送到史特林發動機中,並在發動機上方凝結,之後液態鈉會再回流至蒸發器。為調節電力輸出,調整閥門開關可控制鈉流量與從儲熱器到動力區塊的熱量。

研究成本分析指出,STEALS 可依照功率需求設計產品規模,未來除了可望與太陽能、鋰離子電池和燃煤發電廠競爭,也能與風能和太陽光伏互補,加速電網達到 100% 綠能。該研究已發表在《Applied Energy》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖為在西班牙把太陽光從定日鏡場集中到中央的太陽能發電塔,來源:By afloresm (SOLUCAR PS10) [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons