近几年来太阳能光伏产业发展迅速, 过去3年已新增超过300GW发电量, 用途已从公用事业拓展到住宅太阳能系统, 发电电价也可与燃煤发电相竞争. 相较之下, 同为太阳能家族的聚光太阳能热发电(CSP)发展步调就很缓慢, 3年内仅增加1.5GW, 美国甚至在2015年9月之后都没有加装任何CSP系统.
CSP优势为能在夜间时段将储存起来的热能转化成电, 再将电力贩卖给中央电网, 以每KWh20美元来计算, 其成本可与KWh150美元的锂离子电池竞争. 但CSP系统需要广泛的装设土地, 建置费用也动辄10亿美元以上, 可供给中央电网的电力也稍嫌不足, 导致营利效果低于太阳光伏许多, 而庞大的建置费用也意味着CSP只能用于公用事业, 不像太阳光伏可迅速扩张, 进而刺激产业进展.
为提升CSP太阳能发展优势, 美国国家再生能源实验室(NREL)与科罗拉多矿业学院(CSM)提出截然不同的新设计. 他们将传统的的CSP电厂规模缩小1,000倍, 可说是从平均545MW降至0.76MW. 为降低成本, 团队还采用更廉价的材料和被动热传(heattransfer)机制, 并另外设计一个太阳能发电塔, 包括新型热储存与动力区块(powerblock).
系统名为STEALS, 透过回收铝来储存热能, 每KWh成本可减少至12美元, 并采用新型的热流控制方法, 利用自带阀门的热虹吸管(valvedthermosyphon)来控制热量传递与传热液(heattransferfluid).
(Source: AppliedEnergy)
STEALS使用史特林发动机(Stirlingengine, 又称热空气引擎)将热量转换为电力, 且由于其规模比传统CSP小, 定日镜(heliostat)光转换效率可从66%提升到84%. 根据团队预测, 该系统年效率更可达24%, 不过史特林发动机比朗肯循环(Rankinecycles)小, 热能转换效率仅30%.
定日镜首先将阳光反射到STEALS底部的相变材料(PCM), 而与PCM连接的钠热管会将热量输送到各个系统中, 热管顶部也会与热虹吸管的蒸发器连接. 其中液态钠蒸发后会输送到史特林发动机中, 并在发动机上方凝结, 之后液态钠会再回流至蒸发器. 为调节电力输出, 调整阀门开关可控制钠流量与从储热器到动力区块的热量.
研究成本分析指出, STEALS可依照功率需求设计产品规模, 未来除了可望与太阳能, 锂离子电池和燃煤发电厂竞争, 也能与风能和太阳光伏互补, 加速电网达到100%绿能. 该研究已发布在《AppliedEnergy》.