美國國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員正在通過“第三代”聚光式太陽能發電(CSP)項目，改進其傳熱介質，并可能降低項目的能源成本。NREL的重點是高溫流體熔鹽，這個團隊正在設法解決與“路徑”相關的三大難題，包括尋找比替代品更純、在加熱時不大可能“降解”的新鹽類。

能源部第三代聚光式太陽能發電系統

NREL正在通過整合儲熱技術，提高系統容量、可靠性、效率和電網穩定性，定義下一代聚光式太陽能(CSP)發電場[1]。

NREL進行了某些研究，以支持美國能源部太陽能技術辦公室的“第三代”聚光式發電太陽能發電系統(Gen3CSP)倡議[2]。這個規劃的目標是推進太陽能集熱器領域、接收器、儲熱和電力循環子系統，提高性能，并實現CSP系統的成本效益目標。第三代CSP規劃的中心目標是將CSP系統的成本降低到每千瓦時約0.05美元，使太陽能基荷配置的成本與美國南部陽光充足的其他可調度發電商有競爭力。

構建第三代聚光式太陽能發電研究路線圖

圖1. IEA技術路線圖——太陽熱發電(2014年版)

目前最先進的CSP電場是熔鹽儲熱的雙罐集成的動力塔。這種系統與傳統的蒸汽-朗肯動力循環整合在一起，提供565 ℃的熱能。降低系統成本，實現第三代CSP目標的關鍵是，將傳遞到動力循環熱能的溫度提高到700 ℃以上，以提高電場的效率。

NREL支持能源部的倡議，開發了第三代CSP演示路線圖[3]，基于接收機熱載體的形式，確定把溫度提高到700℃以上的三個潛在的路徑：熔鹽(“熔鹽”途徑)，氣相傳熱流體，如二氧化碳或空氣(“氣相”途徑)，或微小固體顆粒下落的帷幔(“粒子”途徑)。

支持第三代聚光式太陽能發電的技術研究

NREL為推進第三代CSP目標，對下列幾個主題進行研究：

●先進的CSP系統部件，包括接收機設計、儲熱、太陽能場光學和優化，以及動力循環設計

●熔鹽的腐蝕控制和材料兼容性

●場調度優化

●熔鹽罐的內部隔熱系統

●基于無人機的動力塔太陽能發電場檢測與校準

●高效率、低成本太陽能場的動力塔

NREL“下一代”聚光式太陽能的能源成本研究[4]

圖2.NREL員工在內華達州一家太陽熱設施內對“定日鏡”進行評價。

熔鹽可以降低聚光式太陽能+儲能的成本。

聚光式太陽能(CSP)作為一種可再生能源技術，一直被寄予厚望。CSP利用鏡子(或稱“定日鏡”)，通過加熱和儲存廉價的介質(如沙子、巖石或熔鹽)，利用太陽的能量，按需進行能源調度。

為了促進CSP行業的發展，實現5美分/kWh能源成本目標，探索幾種傳熱介質的潛力, 美國能源部(DOE)的“第三代”CSP規劃為研究提供資金。NREL的研究人員正在努力做出貢獻，以解決與使用某種潛在的介質即高溫流體熔鹽，與能源傳輸和儲能相關的某些難題。

競賽開始：對CSP具有成本效益潛質的三個路徑

三年前，“第三代”規劃確立的三個路徑，有可能達到CSP能源成本目標：流體路徑(NREL主導，探索使用熔鹽作為傳熱材料);顆粒路徑(桑迪亞國家實驗室主導，使用砂狀顆粒作為傳熱材料)，第三個路徑探索，使用氣體作為傳熱材料(布雷頓能源公司主導)。

2021年3月，NREL在三條路徑中落選，因為DOE進一步資助“基于粒子”的儲能研究。但這也為NREL創造了機會，在未來兩年進一步開發流體路徑。

圖3. 熔鹽儲熱技術是高效、可靠、經濟的大規模儲存太陽能的方法。

NREL的流體路徑研究：挑選鹽

在NREL，克雷格·圖爾奇(Craig Turchi )領導熱能科學和技術研究。他說，熔鹽是傳熱和儲能材料的理想選擇，流體很容易處理，因為可通過管道和熱交換器在CSP系統中傳輸。不幸的是，仍有某些實際的挑戰，是當前NREL研究的重點。

難題1：保溫大罐設計

圖4. 氯化物熔鹽大罐原型將建在科羅拉多州NREL Golden園區平臺頂部

熔鹽雖然容易流動，但對容納它們的儲罐和管道有腐蝕性。事實上，按照圖爾奇的說法，“每個人最初都認為，熔鹽的腐蝕會毀掉這種努力。”其實，我們已從根本上解決了這個問題。NREL和它的合作伙伴，在熔鹽化學方面做了很多大型的科學研究，如何凈化，如果控制化學成分，如何使它相對不具有腐蝕性，我們在實驗室里證明了這一點。”

因此，腐蝕性并不是使用熔鹽的最大問題。相反，挑戰在于實現高效發電場所需的極高溫度。鹽的能量密度需要相對大型、因而昂貴的儲罐，而且必須防止熔鹽在管道中凍結(雖然這些鹽作為流體熱穩定到非常高的溫度，但會在不那么寒冷的400 ℃凍結)。

圖爾奇說，這與系統如何保溫有關。“我們已經進行了試驗，以證明哪些材料可以正常工作，但實際上還沒有建造個大罐，證明它確實可以工作。我們的設計是個鋼罐，但是目前的罐體外部是隔熱的，我們建議在罐體內部隔熱，以保護鋼體。”

美國能源部給NREL 撥款200萬美元，用于建造大罐原型，以評估它裝滿熔鹽時的完整性。這個大罐目前正在建造中，將安放在科羅拉多州NREL的Golden科技園區臺地上。

難題2：尋找合適的熔鹽來改變局面

熔鹽不止一種，所以NREL開發第三代CSP流體路徑的工作，還包括選擇和試驗新的鹽。商業熔鹽系統使用硝酸鹽;然而，一旦系統達到一定溫度，這種鹽就開始“降解”。NREL團隊希望達到更高的溫度，以實現高效發電裝置更有效的能源轉換，因此他們探索了氯化物熔鹽的替代方案。

Youyang Zhao是NREL的研究員，三年來一直為第三代流體路徑項目研究鹽化學。Zhao說，他一開始就想辦法降低工業鹽的雜質含量。此外，Zhao還說，“我們正在優化鹽的成分，以降低鹽的熔點。熔點越低，處理這種材料的時間就越長。”

這個新的機會是他們努力的重要延續。Zhao解釋說，我們正在“在高水平上”“把基礎科學與未來的工程聯系起來。我沒有創建組件設計，而是試圖找出最基本的東西，如化學和材料知識，提供信息，以便人們能把系統設計得更好。

難題3：電化學方法，支持第三代流體路徑研究

Kerry Rippy是NREL無機化學方面的專家，還支持第三代CSP流體路徑的多種能力。在這個實驗室，她的團隊探索并證實電化學方法，能去除氯鹽中的腐蝕性雜質。現在，他們與威斯康辛大學繼續這項研究，以證明純凈的氯化物熔鹽，流過模擬工業系統“放大原型”時的可靠性。

Rippy還支持臺地頂部大罐的試驗項目。這個密閉容器的成本很高，因此這個團隊正在研究儲鹽的新材料，鹽的溫度在變化，儲鹽容積大，每次最長達10小時。Rippy正在幫助開發罐內的電化學傳感器，在實驗期間監測鹽的純度。

多樣化令人振奮：熔鹽用途廣泛

Rippy說，氯化物熔鹽路徑值得進一步探索，以造福CSP和其他技術：“這項研究有很多潛在的價值：有利于太陽能燃料合成;可啟動高溫燃料電池;而核工業對這項研究也很感興趣。”

Turchi說，“核工業正在開發自己的多個‘第四代’反應堆，其中有些使用氯化物熔鹽。”即將到來的大罐試驗結果，可能會降低許多能源行業箱體的成本。

圖5. 直接儲存鹽的熔鹽動力塔。目前和先進的熔鹽設計在概念上相似，但未來的設計設想鹽溫更高與co2 -布雷頓動力循環。

啟示與見解

“第三代”或“下一代”CSP的提法與研究，國內少見。美國DOE首次提出，有明確的目標，值得重視。

第三代CSP的價值在于提供“可調度”能源，成為電網的“后備”電源。它類似轉供電力(Wheeling Power)或過網轉供(Wheeling-through)發電機，可增加電網的彈性。

最關鍵的是能源成本目標 $0.05/kWh，值得為之奮斗;相對電池儲能的能源成本，更值得為之振奮，如能每次提供后備能源的“轉供”時間范圍可達10小時，意義更大。

我國東部沿海地區發展CSP經濟意義重大，比從西北地區(甘肅、青海、寧夏、新疆)調度可再生能源(主要是風能與太陽能)，至少可節約網路傳輸成本。

圖6. 截至2016年，各國CSP累計運營能力

資料與注釋

1 NREL, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems,

https://www.nrel.gov/csp/generation-3-concentrating-solar-power-systems.html

2 DOE, Solar Energy Technologies Office, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems (Gen3 CSP), Office of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY,

https://www.energy.gov/eere/solar/generation-3-concentrating-solar-power-systems-gen3-csp

3 NREL, Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, NREL/TP-5500-67464, January 2017;

https://www.nrel.gov/docs/fy17osti/67464.pdf

4 NREL, Next-Gen Concentrating Solar Power Research Heats Up at NREL, National Renewable Energy Laboratory, Feb. 9, 2022