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

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

以Ivanpah塔式光熱電站為例，其水工質塔且無儲熱的設計意味著電站必須多加利用白天的日照，通過定日鏡將更多的太陽輻射聚集至吸熱塔。據估計，在Ivanpah光熱電站設有的三個吸熱塔中，每個吸熱塔上有1000平方米的隔熱防護層區(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。


這種通過光伏產生的額外電量可供電廠自身使用，也就是俗稱的“廠用電”，供主要耗電設備包括泵類以及與定日跟蹤類相關的用電設備所用。光熱電站的用電率一般最高可達到15%（我國首批光熱發(fā)電示范項目在申報時，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可采用該方案利用多余的太陽輻射通量。由于定日鏡鏡面磨損、失配以及跟蹤誤差的存在，即使是對準吸熱器的定日鏡也會不可避免地出現(xiàn)誤差。在電站待機狀態(tài)，將定日鏡聚焦于吸熱塔的防護層位置來利用光伏發(fā)電，因該位置靠近吸熱器，可在需要發(fā)電時迅速調整角度，將太陽輻射聚集至吸熱器。

“事實上，每平方米的吸熱器溢出（由聚光器反射或透射但沒有到達吸熱器吸熱面的能量）大約為10-100千瓦。”Cliff補充道，“桑迪亞國家實驗室開展此項研究的目的就在使用光伏組件將吸熱器溢出浪費的能量轉化為可利用的電能。”

在當前的商業(yè)化塔式光熱發(fā)電項目中，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吸熱器以及其他基礎設施組件，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光伏組件的選擇

然而，該方案也面臨一個關鍵的技術挑戰(zhàn)。在高溫以及高太陽輻射通量條件下，傳統(tǒng)硅電池的效率將大打折扣。聚光型太陽輻射導致接觸點溫度極高，這對聚光型光熱發(fā)電而言是必備條件，然而對于太陽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輻射存在一定的函數關系，一定條件下，溫度與電池效率成反比。對光伏晶體硅電池而言，太陽輻射超過100 suns時（sun表示入射在垂直于太陽的單位面積上的能量，一個sun大約1000瓦特/平方米），電池基本失效。”Cliff解釋道，“因此，我們還對比了三結太陽能電池與硅電池的效用，結果表明，在一定太陽輻射下三結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LCOE評估研究后得出的最佳方案

此外，桑迪亞科學家小組還進一步分析了該方案的平準化電力成本（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，從而評估其經濟性。

上文提到的三結電池為SolAero CTJ電池，可應用于1500suns聚光太陽能輻射條件，效率可達39%（約在400suns條件下）。三結電池的價格遠高于硅基光伏電池，但輔以強制冷卻后，進一步提高了原有的高效率，從而有效降低LCOE。


對此，基于槽式和塔式不同技術路線，有無冷卻系統(tǒng)等多種結構，桑迪亞與美國其他國家實驗室共同合作，對兩組不同類型光伏組件的LCOE進行了深度評估。

在塔式光熱電站中，利用傳統(tǒng)光伏硅電池與三結電池的結合，可以較低的LCOE獲得可觀的發(fā)電量增長。配備的光伏組件可額外增加10%的電廠裝機容量，在裝機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套管上覆蓋三結電池確實可以大幅度提高發(fā)電量（生產電力約可增加光熱裝機的15%），但LCOE過高（約為15美分/kWh）。相比之下，若是采用成本相對較低的硅電池，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。

經研究，桑迪亞團隊發(fā)現(xiàn)了一套LCOE最低的方案：在太陽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；在太陽輻射能量較高的地區(qū)采用多結電池+冷卻裝置的方式。

Cliff表示，輔以強制式冷卻系統(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。