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KWh20美元來計算, 其成本可與KWh150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545MW降至0.76MW. 為降低成本, 團隊還採用更廉價的材料和被動熱傳(heattransfer)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(powerblock).
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(valvedthermosyphon)來控制熱量傳遞與傳熱液(heattransferfluid).
(Source: AppliedEnergy)
STEALS使用史特林發動機(Stirlingengine, 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迴圈(Rankinecycles)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, 之後液態鈉會再迴流至蒸發器. 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. 該研究已發布在《AppliedEnergy》.