美国普渡大学材料工程教授肯尼斯·桑哈格(Kenneth Sandhage)正在研究如何降低利用太阳热量生产可再生电力的成本。信用:普渡大学图片/丽贝卡·麦克勒霍太阳能发电约占美国电力的2%，但如果这种发电成本更低，并在阴天和夜间随时可用，它可能会变得更加广泛。为了降低这些成本，普渡大学的工程师们正在开发方法来改善被称为集中太阳能发电厂的设施的发电方式。这些发电厂通过储存从阳光中获取的热量在非高峰时间供电，这些热量被数千面镜子聚焦到一个小区域。
这项研究的进展是将太阳能热发电与化石燃料直接成本竞争的重要一步，化石燃料在美国的发电量超过60%。
安装在农场和屋顶上的太阳能电池板系统通常用于从太阳中发电，并且已经通过电池储存能量以备后用，但是集中式太阳能发电厂可以以较低的成本提供大规模的能量储存。
普渡大学雷利材料工程教授肯尼斯·桑哈格(Kenneth Sandhage)说:“由于将太阳能储存为热能已经比通过电池储存能量便宜，下一步就是降低利用太阳热能发电的成本。
美国只有11家集中太阳能发电厂，但自2010年以来，使用这些发电厂发电的成本下降了50%以上。普渡大学的研究人员正在努力进一步降低太阳能发电成本，以与化石燃料竞争。
从海水中寻找解决方案
为了使集中太阳能发电厂的发电成本更低，这些发电厂的涡轮机需要在更高的温度下运行。涡轮机目前在大约1022华氏度的峰值温度下运行。
通过在1382华氏度或更高的温度下运行涡轮机，集中式太阳能发电厂可以更有效地将热能转化为电能。这也要求在更高的温度下实现太阳能的低成本储存，以便电厂能够一天24小时发电，并对电力需求的激增做出快速反应。
集中式太阳能发电厂可以通过加热熔融盐来储存太阳能，但目前使用的熔融硝酸盐会在华氏1382度下降解。桑德哈格和该领域的其他研究人员已经转向海水，寻找能够在更高温度下保持足够稳定的氯化物盐。
但是海水衍生的熔融氯化物，如研究人员迄今为止研究的氯化镁-氯化钾盐，会在1382华氏度的环境空气中氧化降解。
通过改进在较高温度下用于低成本储热的熔盐，研究人员可以帮助聚光太阳能发电厂更高效、更廉价地发电。credit:Purdue University photo/Rebecca McElhoe在《今日材料》(Materials Today)上发表的一项研究中，桑德哈格的研究小组预测并证明了一种不同的海水衍生熔盐，即氯化钙-氯化钠组合物，在1382华氏度的环境空气中高度抗氧化。
桑德哈格的研究小组还开发了一种使镍耐腐蚀的方法，这样它就可以更好地包含熔盐，如氯化钙-氯化钠组合物。
桑德哈格说:“我们已经确定并展示了一种稳定而丰富的盐，我们有一个长期保存盐的遏制策略，以储存能量，供太阳不照耀时使用。
打开暖气，一步一个脚印
为了不断降低集中太阳能发电厂的发电成本，发电过程中的其他步骤也需要处理更高的温度。
其中一个步骤是通过称为热交换器的装置将热量从熔融盐传递到高压工作流体。在加热时，工作流体膨胀并旋转涡轮机以发电。
紧凑、高性价比的热交换器通常由不锈钢合金制成，对于在1382华氏度的高温下使用高压工作流体来说，不锈钢合金会变得太软。
2018年，桑哈格和他的合作者在《自然》杂志上发表了一篇论文，揭示了由陶瓷-金属复合材料制成的热交换器如何能够承受更高的温度和压力，从而更有效地发电。普渡大学的研究人员发明了这种基于复合材料的热交换器，使用的材料已经在超过4000华氏度的固体燃料火箭喷嘴中成功测试。
熔盐和能够处理热量的热交换器只是拼图的两块。例如，该领域的其他研究人员正在改进接收器——运送熔融盐被阳光加热的金属管——和聚集阳光的镜子。
桑德哈格说:“如果你想让整个系统运行得更热，你就不能在链条的任何地方有一个薄弱环节。
在某些方面，温度需要降低。尽管氯化钙-氯化钠组合物具有优势，但这种盐比目前使用的熔融硝酸盐在更高的温度下熔化。桑德哈格的研究小组正在努力调整熔融氯化物盐的成分，使其在较低温度下熔化，同时在高温下仍保持稳定。
桑德哈格说:“最终，持续的发展将允许可再生太阳能大规模渗透到电网中。“这将意味着发电过程中人为二氧化碳排放量的大幅减少。”
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