桑迪亞國家實驗室的工程師開發(fā)了新的分形式聚光太陽能接收器，適用于中小規(guī)模使用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其吸收陽光的效率提高了20%。

接收器的設計和研究是實驗室指導研究和開發(fā)項目的一部分，也適用于桑迪亞為印度和美國太陽能研究所或SERIIUS的工作。

SERIIUS是由印度科學研究所和國家可再生能源實驗室共同領導的一個為期五年的項目，由美國能源部和印度政府贊助，旨在通過以下方式為兩國開發(fā)和改進具有成本效益的太陽能技術(shù)。解決每個市場的障礙和挑戰(zhàn)。桑迪亞領導該集團的聚光太陽能研究，專注于可擴展系統(tǒng)。

雖然全世界大多數(shù)聚光太陽能發(fā)電設施都很大，但Sandia工程師Cliff Ho表示，印度有興趣開發(fā)1兆瓦或更小的設施，為小村莊或社區(qū)提供適當?shù)碾娏?。提高這些小型接收機設計的效率是實現(xiàn)這一目標的關鍵一步。

桑迪亞工程師在國家太陽能熱測試設施開發(fā)并測試了新的接收器，研究他們承受高溫和高壓的能力，同時吸收太陽光作為熱量，可以存儲或轉(zhuǎn)移到電力循環(huán)發(fā)電。在桑迪亞的工廠，成排的鏡子般的定日鏡瞄準高層建筑，頂部安裝有中央接收器。定日鏡將太陽光反射并聚集在接收器上，接收器吸收太陽光的熱量并將其轉(zhuǎn)移到流經(jīng)接收器面板的氣體中。然后，該氣體可以用于傳統(tǒng)的發(fā)電廠循環(huán)中以產(chǎn)生電力或者與存儲系統(tǒng)一起使用以在太陽不發(fā)光時節(jié)省用于按需發(fā)電。

誘捕和吸收反射光

傳統(tǒng)的接收器設計通常具有布置在圓筒中的平板管或管。在考慮反射和熱量損失時，這些設計可以吸收大約80%到90%的聚光陽光，但Ho表示需要進行設計改進，以使接收器更加高效，以幫助降低聚光太陽能的成本并提高可擴展性。

“當光線從平面上反射出來時，它就消失了，”何說。“在平板接收器設計中，5%或更多的聚光太陽光會反射掉。所以我們將管板配置成徑向或百葉窗模式，以不同的比例捕捉光線。我們希望光線反射，然后再次反射朝向接收器的內(nèi)部并被吸收，有點像隔音室的墻壁。“

以前關于使太陽能接收器更有效的研究集中在應用于接收器的特殊涂層上。然而，這些涂層中的許多涂層易于隨時間破壞，這降低了接收器吸收太陽光的能力和太陽能接收器本身的潛在壽命，同時由于重新施加和修復而增加了成本。Sandia的新型分形接收器設計提高了太陽能吸收效率，無需特殊涂層。

Ho和研究團隊開發(fā)并測試了多個原型分形接收器設計尺寸，適用于中小型聚光太陽能設施，并發(fā)現(xiàn)最適合每種應用的設計。

“印度的市場驅(qū)動力與美國不同，”何說。“可再生能源的競爭是柴油發(fā)電機，這會產(chǎn)生大量污染并且價格極其昂貴。它使我們能夠更靈活地創(chuàng)建一個能滿足其需求的小型聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)。”

測試第一個3-D'印刷'太陽能接收器

該團隊率先使用稱為粉末床融合的增材制造技術(shù)，從高溫鎳合金Iconel 718打印小型接收器設計。Ho表示，這種新穎的印刷技術(shù)提供了一種經(jīng)濟有效的方法，可以小規(guī)模地測試多個分形設計，并且可以在將來用于印刷較大太陽能接收器的整個部分。

“添加劑制造使我們能夠在小型原型中為接收器管生成復雜的幾何形狀，”Ho說。“使用傳統(tǒng)方法(例如擠壓，鑄造或焊接)制造這些復雜的幾何形狀將是困難的。”

新設計與傳統(tǒng)的傳熱流體配合使用，用于聚集太陽能，包括熔鹽和蒸汽，但它們也可以使用其他介質(zhì)進行傳熱和儲存。

桑迪亞正在通過將空氣，二氧化碳和氦氣流過接收器管來評估接收器對不同氣體的性能，最終目標是將新接收器設計與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)配對。術(shù)語“超臨界”描述了當二氧化碳被加熱到高于其正常臨界溫度和壓力時的半液態(tài)。布雷頓循環(huán)通過使用熱的加壓超臨界二氧化碳來旋轉(zhuǎn)渦輪機，非常像噴氣發(fā)動機，其旋轉(zhuǎn)發(fā)電機用于發(fā)電。

Ho表示，美國和印度都有興趣采用超臨界二氧化碳來開發(fā)下一代聚光太陽能技術(shù)，因為它可以通過更小的占地面積實現(xiàn)更高的效率。

“集中太陽能和SERIIUS的目標是通過儲能開發(fā)高效，經(jīng)濟的太陽能電力生產(chǎn)，”何說。“使用曝光的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)將提高效率，減少空間需求并降低與當前大規(guī)模聚光太陽能系統(tǒng)相關的成本。”

較小的占地面積和成本將有助于實現(xiàn)小規(guī)模(1-10兆瓦范圍內(nèi))超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)聚光太陽能發(fā)電廠的可能性，使聚光太陽能發(fā)電與其他類型的可再生能源更具競爭力。