新型分形聚光太阳能接收器更能吸收阳光

桑迪亚国家实验室的工程师开发了新的分形式聚光太阳能接收器，适用于中小规模使用，与现有技术相比，其吸收阳光的效率提高了20%。

接收器的设计和研究是实验室指导研究和开发项目的一部分，也适用于桑迪亚为印度和美国太阳能研究所或SERIIUS的工作。

SERIIUS是由印度科学研究所和国家可再生能源实验室共同领导的一个为期五年的项目，由美国能源部和印度政府赞助，旨在通过以下方式为两国开发和改进具有成本效益的太阳能技术。解决每个市场的障碍和挑战。桑迪亚领导该集团的聚光太阳能研究，专注于可扩展系统。

虽然全世界大多数聚光太阳能发电设施都很大，但Sandia工程师Cliff Ho表示，印度有兴趣开发1兆瓦或更小的设施，为小村庄或社区提供适当的电力。提高这些小型接收机设计的效率是实现这一目标的关键一步。

桑迪亚工程师在国家太阳能热测试设施开发并测试了新的接收器，研究他们承受高温和高压的能力，同时吸收太阳光作为热量，可以存储或转移到电力循环发电。在桑迪亚的工厂，成排的镜子般的定日镜瞄准高层建筑，顶部安装有中央接收器。定日镜将太阳光反射并聚集在接收器上，接收器吸收太阳光的热量并将其转移到流经接收器面板的气体中。然后，该气体可以用于传统的发电厂循环中以产生电力或者与存储系统一起使用以在太阳不发光时节省用于按需发电。

诱捕和吸收反射光

传统的接收器设计通常具有布置在圆筒中的平板管或管。在考虑反射和热量损失时，这些设计可以吸收大约80%到90%的聚光阳光，但Ho表示需要进行设计改进，以使接收器更加高效，以帮助降低聚光太阳能的成本并提高可扩展性。

“当光线从平面上反射出来时，它就消失了，”何说。“在平板接收器设计中，5%或更多的聚光太阳光会反射掉。所以我们将管板配置成径向或百叶窗模式，以不同的比例捕捉光线。我们希望光线反射，然后再次反射朝向接收器的内部并被吸收，有点像隔音室的墙壁。“

以前关于使太阳能接收器更有效的研究集中在应用于接收器的特殊涂层上。然而，这些涂层中的许多涂层易于随时间破坏，这降低了接收器吸收太阳光的能力和太阳能接收器本身的潜在寿命，同时由于重新施加和修复而增加了成本。Sandia的新型分形接收器设计提高了太阳能吸收效率，无需特殊涂层。

Ho和研究团队开发并测试了多个原型分形接收器设计尺寸，适用于中小型聚光太阳能设施，并发现最适合每种应用的设计。

“印度的市场驱动力与美国不同，”何说。“可再生能源的竞争是柴油发电机，这会产生大量污染并且价格极其昂贵。它使我们能够更灵活地创建一个能满足其需求的小型聚光太阳能发电系统。”

测试第一个3-D'印刷'太阳能接收器

该团队率先使用称为粉末床融合的增材制造技术，从高温镍合金Iconel 718打印小型接收器设计。Ho表示，这种新颖的印刷技术提供了一种经济有效的方法，可以小规模地测试多个分形设计，并且可以在将来用于印刷较大太阳能接收器的整个部分。

“添加剂制造使我们能够在小型原型中为接收器管生成复杂的几何形状，”Ho说。“使用传统方法(例如挤压，铸造或焊接)制造这些复杂的几何形状将是困难的。”

新设计与传统的传热流体配合使用，用于聚集太阳能，包括熔盐和蒸汽，但它们也可以使用其他介质进行传热和储存。

桑迪亚正在通过将空气，二氧化碳和氦气流过接收器管来评估接收器对不同气体的性能，最终目标是将新接收器设计与超临界二氧化碳布雷顿循环配对。术语“超临界”描述了当二氧化碳被加热到高于其正常临界温度和压力时的半液态。布雷顿循环通过使用热的加压超临界二氧化碳来旋转涡轮机，非常像喷气发动机，其旋转发电机用于发电。

Ho表示，美国和印度都有兴趣采用超临界二氧化碳来开发下一代聚光太阳能技术，因为它可以通过更小的占地面积实现更高的效率。

“集中太阳能和SERIIUS的目标是通过储能开发高效，经济的太阳能电力生产，”何说。“使用曝光的超临界二氧化碳布雷顿循环将提高效率，减少空间需求并降低与当前大规模聚光太阳能系统相关的成本。”

较小的占地面积和成本将有助于实现小规模(1-10兆瓦范围内)超临界二氧化碳布雷顿循环聚光太阳能发电厂的可能性，使聚光太阳能发电与其他类型的可再生能源更具竞争力。