日前，隸屬于美國(guó)能源部的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室表示已找到利用塔式光熱電站吸熱塔區(qū)域內(nèi)散布且未被利用的的太陽(yáng)輻射通量的最佳方案。

據(jù)桑迪亞科學(xué)家Cliff Ho介紹，在塔式光熱電站中，可在吸熱塔（包含吸熱器）的隔熱防護(hù)層以及塔身上覆蓋光伏面板以收集利用多余的太陽(yáng)輻射通量，以此生產(chǎn)更多額外的電力。Cliff發(fā)現(xiàn)，在吸熱塔上覆蓋光伏面板初步估計(jì)可產(chǎn)生約10MW的電力，相當(dāng)于一個(gè)裝機(jī)100MW塔式光熱電站的10%。如果這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，則光熱電站自身的廠用電問(wèn)題或可得到有效解決。

以Ivanpah塔式光熱電站為例，其水工質(zhì)塔且無(wú)儲(chǔ)熱的設(shè)計(jì)意味著電站必須多加利用白天的日照，通過(guò)定日鏡將更多的太陽(yáng)輻射聚集至吸熱塔。據(jù)估計(jì)，在Ivanpah光熱電站設(shè)有的三個(gè)吸熱塔中，每個(gè)吸熱塔上有1000平方米的隔熱防護(hù)層區(qū)域（如圖中吸熱器上下方的白色區(qū)域）可供覆蓋光伏面板。

　　圖：Ivanpah光熱發(fā)電站

這種通過(guò)光伏產(chǎn)生的額外電量可供電廠自身使用，也就是俗稱的“廠用電”，供主要耗電設(shè)備包括泵類以及與定日跟蹤類相關(guān)的用電設(shè)備所用。光熱電站的用電率一般最高可達(dá)到15%（我國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目在申報(bào)時(shí)，廠用電率一般控制在10%左右）。

Cliff表示，在定日鏡不直接聚焦于吸熱器時(shí)可采用該方案利用多余的太陽(yáng)輻射通量。由于定日鏡鏡面磨損、失配以及跟蹤誤差的存在，即使是對(duì)準(zhǔn)吸熱器的定日鏡也會(huì)不可避免地出現(xiàn)誤差。在電站待機(jī)狀態(tài)，將定日鏡聚焦于吸熱塔的防護(hù)層位置來(lái)利用光伏發(fā)電，因該位置靠近吸熱器，可在需要發(fā)電時(shí)迅速調(diào)整角度，將太陽(yáng)輻射聚集至吸熱器。

“事實(shí)上，每平方米的吸熱器溢出（由聚光器反射或透射但沒(méi)有到達(dá)吸熱器吸熱面的能量）大約為10-100千瓦。”Cliff補(bǔ)充道，“桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展此項(xiàng)研究的目的就在使用光伏組件將吸熱器溢出浪費(fèi)的能量轉(zhuǎn)化為可利用的電能。”

在當(dāng)前的商業(yè)化塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目中，可覆蓋光伏組件的面主要是由高溫耐火材料組成的隔熱層，這一隔熱層普遍用于保護(hù)吸熱器以及其他基礎(chǔ)設(shè)施組件，一般在吸熱器上下都有。而Cliff的想法正是在這一隔熱層或者吸熱塔上其他可用表面安裝光伏組件。

光熱電站高溫工況對(duì)光伏組件的選擇

然而，該方案也面臨一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。在高溫以及高太陽(yáng)輻射通量條件下，傳統(tǒng)硅電池的效率將大打折扣。聚光型太陽(yáng)輻射導(dǎo)致接觸點(diǎn)溫度極高，這對(duì)聚光型光熱發(fā)電而言是必備條件，然而對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件而言則造成了極大的挑戰(zhàn)。

“電池效率與溫度以及太陽(yáng)輻射存在一定的函數(shù)關(guān)系，一定條件下，溫度與電池效率成反比。對(duì)光伏晶體硅電池而言，太陽(yáng)輻射超過(guò)100 suns時(shí)（sun表示入射在垂直于太陽(yáng)的單位面積上的能量，一個(gè)sun大約1000瓦特/平方米），電池基本失效。”Cliff解釋道，“因此，我們還對(duì)比了三結(jié)太陽(yáng)能電池與硅電池的效用，結(jié)果表明，在一定太陽(yáng)輻射下三結(jié)電池的效用比硅電池更高。”因此，更為適宜的選擇是采用聚光光伏電池。

對(duì)LCOE評(píng)估研究后得出的最佳方案

此外，桑迪亞科學(xué)家小組還進(jìn)一步分析了該方案的平準(zhǔn)化電力成本（LCOE），以明確覆蓋光伏組件的額外創(chuàng)收是否高于額外的成本，從而評(píng)估其經(jīng)濟(jì)性。

上文提到的三結(jié)電池為SolAero CTJ電池，可應(yīng)用于1500suns聚光太陽(yáng)能輻射條件，效率可達(dá)39%（約在400suns條件下）。三結(jié)電池的價(jià)格遠(yuǎn)高于硅基光伏電池，但輔以強(qiáng)制冷卻后，進(jìn)一步提高了原有的高效率，從而有效降低LCOE。

　　圖：在塔式電站和槽式電站上配置PV電池示意圖

對(duì)此，基于槽式和塔式不同技術(shù)路線，有無(wú)冷卻系統(tǒng)等多種結(jié)構(gòu)，桑迪亞與美國(guó)其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同合作，對(duì)兩組不同類型光伏組件的LCOE進(jìn)行了深度評(píng)估。

在塔式光熱電站中，利用傳統(tǒng)光伏硅電池與三結(jié)電池的結(jié)合，可以較低的LCOE獲得可觀的發(fā)電量增長(zhǎng)。配備的光伏組件可額外增加10%的電廠裝機(jī)容量，在裝機(jī)100MW的塔式光熱電站中，以低于5美分/kWh的LCOE增加10MW以上的電力。

然而，這一想法基于槽式光熱電站的研究則不盡如人意。在集熱管端部的保護(hù)套管上覆蓋三結(jié)電池確實(shí)可以大幅度提高發(fā)電量（生產(chǎn)電力約可增加光熱裝機(jī)的15%），但LCOE過(guò)高（約為15美分/kWh）。相比之下，若是采用成本相對(duì)較低的硅電池，雖LCOE僅5美分/kWh，但因此增加的發(fā)電量卻不可與前者相提并論。

經(jīng)研究，桑迪亞團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一套LCOE最低的方案：在太陽(yáng)輻射能量較低的位置（約10-50千瓦/平方米）使用成本較低的光伏硅電池；在太陽(yáng)輻射能量較高的地區(qū)采用多結(jié)電池+冷卻裝置的方式。

Cliff表示，輔以強(qiáng)制式冷卻系統(tǒng)后，在中央吸熱器上安裝光伏組件的成本可降低至1美分/kWh至2美分/kWh。