寬禁帶使太陽能前景廣闊
系統組件2020-04-10
去年11月，一個意料之外的消息來源稱，集中式太陽能(可能用于工業綠色能源)取得了突破。一家人知的公司Heliogen宣布其到來，它首次有能力將太陽能集中到商業規模上 - 達到超過1000°C的溫度。
該公司聲稱，這意味著它可以在關鍵的工業流程(例如水泥、鋼鐵或鋁制造)中替代化石燃料，并有可能用于熱分解水以產生氫氣。
集中式太陽能使用鏡子或透鏡將大范圍的陽光聚焦到接收器上。Heliogen創始人兼首席執行官比爾·格羅斯(Bill Gross)表示，商業化Heliogen意味著將溫度與功率相結合(介于250至400kW之間)用于工業用途。該公司的目標是將該數字增加到1MW至10MW。
格羅斯說，以前使用拋物線形天線聚焦太陽光線，但以前僅能達到5kW左右的功率。但是，使用新的方法，焦點會隨著太陽移動。Heliogen的系統將功率集中在安裝在塔上的固定目標上。它的突破是基于使用計算機視覺和復雜的軟件來控制一系列鏡子的。
格羅斯說：“有了一個盤子，當您想聚集陽光時，您所要做的就是將它對準太陽。” 使用簡單的光傳感器可以輕松完成跟蹤太陽的過程。
相比之下，Heliogen在加利福尼亞州蘭開斯特的裝置中有400面鏡子，每面鏡子的大小為1.5平方米。它們的地面覆蓋率約為33%，分布在1800平方米的總面積中。
格羅斯解釋說：“在我們的系統中，必須微調每個鏡子的角度，以將太陽和塔之間的角度等分” – 因為需要控制太陽光線的入射角等于反射角。
他補充說，不僅所有的鏡子都必須指向稍有不同的方向，“每個鏡子都不指向太陽或塔，而是指向中間的一個點，換句話說，指向天空中的不可見點。”
在以前的陣列中，這是通過使用復雜的測量技術將每個反射鏡高度精確地定位在地面上并使每個反射鏡非常堅固而解決的。然后將它們指向隨時跟蹤太陽的計算位置的方向。
格羅斯說，這只能以有限的準確性來完成。“大多數光束不能準確地對準目標，而這種誤差會阻止達到極高的溫度。”
該技術使用先進的計算機視覺軟件來使一系列反射鏡將光聚焦在單個目標上
對于距離目標幾百米的反射鏡，將其偏離零點幾度會導致在目標上以米為單位測量的誤差。典型的結果是直徑約10米的斑點，最高溫度為600℃。
它的溫度足以產生蒸汽并驅動渦輪機發電，但這與直接從光伏面板發電沒有競爭力。
格羅斯說：“我們所做的就是找到一種可以更精確地移動鏡子的方法。同時消除對它們進行初始精確定位的需要。因此，光線可以聚焦在籃球筐大小 – 直徑460毫米 - 的區域上。”
Heliogen使用計算機視覺和定制軟件來實現這一目標。塔上的攝像機對準整個反射鏡陣列，以每秒30幀的速度捕獲視頻。計算機視覺用于分析反射鏡邊緣的位置和每個反射鏡的反射角度，并每秒微調30次。每個反射鏡均通過以太網連接接收命令，并裝有兩個無刷電動機(為了維護最小化)，以進行連續的微調整。
格羅斯說：“我們不依賴檢查位置或任何預先確定的內容。我們只是看著從鏡子向塔的出射光線，這正是我們所關心的。”
格羅斯表示，以前之所以沒有做到這一點，部分原因是直到NVIDIA GPU處理器的價格充分降低之前，沒有足夠的處理能力以實時進行復雜的計算。
其次，需要在人工智能、圖像識別和計算機視覺分析(公司的核心知識產權)方面進行大型軟件開發。盡管成立于2013年Heliogen才剛剛揭開面紗，但格羅斯認為相當于40到50人·年的工作投入到了軟件開發，最終在11月的演示中達到頂峰。
不僅達到了前所未有的溫度，而且系統的成本更低。鏡子不必是剛性的或精心放置的，這兩者都會增加成本。“我們的系統是閉環的，就像睜著眼睛跟蹤鏡子一樣。格羅斯說：“其他系統視而不見，根據規劃表放置鏡子。在我們的系統中，任何地面沉降都將自動得到補償。”
鏡子是由普通的玻璃制成的，帶有鍍銀的襯里，背面鍍有一層銅和一層戶外涂料。該玻璃只有3.2毫米厚 - 盡可能薄以獲得最大的反射率，但足以抵御冰雹。
鏡子不需要特殊的材料 - 因為它們反射的光線使它們保持涼爽。對于集熱器，窯內使用的耐火陶瓷磚可承受高溫。
格羅斯對該技術的應用有三大抱負：首先，對于那些想為工業過程生產蒸汽的客戶;第二，用于水泥生產等過程;第三，分解水產生綠色氫氣。
該系統可以集中太陽能以達到高于1000℃的溫度
對于工業用途，下一步將是將集中式太陽能系統集成到制造過程中。目前僅在回轉窯中進行水泥生產，僅占全球二氧化碳排放量的7%。將兩者集成是一個好主意。
格羅斯說，最初的重點將放在煅燒的第一階段，因為這是消耗大部分能量的地方。在煅燒階段中，將石灰石(碳酸鈣)加熱到900℃-1000℃以驅除二氧化碳，剩下氧化鈣。格羅斯預計將通過傳送帶將石灰石分批運送到塔頂以烤箱的形式加熱來實現。
或者，將蒸汽加熱到1000℃，并在絕熱管中降到地面(只有10-20°C的溫度下降)，然后將其直接用于加熱物料，或用于對流加熱器中來加熱烤箱。
格羅斯重點強調，即Heliogen的系統能夠以低成本將蒸汽加熱到所需溫度，然后將其轉移到需要熱量的任何地方。
他說：“下一個階段是與實際流程集成，這是我們將與客戶一起完成的工作。”
在11月的演示之后，“超過1000個”潛在客戶已經聯系了Heliogen，盡管該公司尚無法宣布任何名稱。
格羅斯說：“我們有些客戶只想將蒸汽用于工業生產，我們可以立即向他們出售產品。”
其他潛在客戶需要將集中式太陽能系統匹配和集成到其流程中所需的研發方面的合作。格羅斯渴望將Heliogen的專業知識與行業合作伙伴的專業技術相結合。從擁有最佳日光照射點或最合適的工藝的角度來看，可以選擇最有前途的合作者。
他補充說，大多數人都希望一天24小時運行他們的過程，但這可以通過蓄熱來實現。通過向耐火磚上吹入由太陽能收集器加熱的空氣或蒸汽來廉價地實現，可以在夜晚將熱量回收。
格羅斯將綠色氫描述為“圣杯”。這將帶來額外的挑戰，因為它將需要目標承受1500℃的溫度。然后，氫氣將不得不被壓縮和運輸。
當前，使用太陽能光伏電來電解水與甲烷重整以產生氫的競爭力不足。但是，格羅斯認為，集中式太陽能的效率要比光伏高，因為它直接利用了太陽的熱量，而不是先將其轉化為電能，而且該過程能夠持續夜間持續運行。
他為實際應用設定了一個雄心勃勃的時間表，期望今年看到蒸汽用戶使用該技術，明年將其整合到水泥或鋼鐵生產等工藝中，并在2022年實現氫氣生產。
安裝集中式太陽能不需要進行大型建設項目。只有大約40米高的塔需要大量的施工。鏡子不需要任何特殊的基礎，可以由非熟練工人安裝。隨著時間的推移，它們將由太陽能電池板供電，并通過wi-fi連接，從而消除了電纜連接。
從資金的角度來看，Heliogen已經擁有比爾·蓋茨(Bill Gates)等眾多知名投資者。自發布以來，還有更多人提出來。格羅斯堅信公司擁有所需的支持。他說：“我們資金雄厚，我們可以輕松地將其一路推向市場。”
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