用系留气球来测试塔式太阳能电站发电技术对环境的影响

桑迪亚气球用于测试在塔式太阳能电站中先进粒子接收器的粒子的安全性IMAGE@SANDIA

资料来源：SandiaNational Laboratories ALBUQUERQUE, N.M.

桑迪亚国家实验室的一组研究人员最近使用系留气球收集空气中的灰尘颗粒样本，来检测用于集中太阳能的落粒子接收器的安全性。落粒子接收器技术是一种用于集中太阳能的新型的太阳发电技术。（照片由Randy Montoya提供）

桑迪亚国家实验室的研究人员最近使用22英尺宽的系留气球收集空气中的尘埃颗粒样本，来检测新兴太阳能技术的安全。该项目的首席研究员Cliff Ho说，从该实验中可以看出，新技术产生的灰尘远远低于危险水平。Cliff Ho的团队刚刚从能源部获得2500万美元，用于建造一个将采用这项技术的试验工厂。

这种用于集中太阳能的下一代可再生能源技术被称为高温落粒子接收器。集中太阳能发电虽然不像太阳能电池板或风力涡轮机那样常见，但与其他可再生能源相比，具有若干优势，包括能够在将太阳能转化为电网中的电能之前，可以热能的形式储存能源。

桑迪亚的集中太阳能专家Cliff Ho说，亚利桑那州的一家集中太阳能发电厂使用熔盐将热量储存了6个小时，而理论上，热能的储存时间可长达数天，甚至是数周。这将有助于电力公司解决太阳能电池板和风力涡轮机发电过程中存在的日常和季节性变化问题。

落粒子接收器的工作原理是，像沙子一样的深色陶瓷颗粒通过一束被聚焦的太阳强光照射后就能获取和存储太阳热能，这些粒子吸热后被存储至下部的一个保温绝热箱内进行储热和发电。这些圆形粒子的成本约为1美元/磅，与传统的熔盐储能方式相比，储能效率更高，成本更低。Sandia团队还评估了其他粒子，如沙子，每磅成本只有几美分，但他们发现，陶瓷颗粒能够吸收更多的太阳能和提供更顺畅的流动，因此陶瓷颗粒是最优的选择。能源部的目标是将太阳能集中发电的成本降低到每千瓦时5美分，与传统的化石燃料发电相媲美。

然而，重复使用的陶瓷颗粒最终会分解成细尘。环境保护局和职业安全与健康管理局对微小的灰尘颗粒进行监管，这些颗粒比滑石粉更细，将会对人的肺部造成损害。

Cliff Ho说："进行粒子采样的动机是确保这项可再生能源新技术不会造成任何环境或工人安全问题。"虽然落粒子接收器会向大气排放颗粒物，但数量远低于 环境保护局和国家职业安全与健康协会所制定的标准。

使用系留气球捕捉灰尘

DariDexheimer，桑迪亚国家实验室的系绳气球专家，和她的团队准备了22英尺宽的系留氦气球，在并在一个华丽的秋天早晨升空。（照片由Randy Montoya提供）

去年秋天，研究小组使用在太阳能发电塔（国家太阳热测试设施）平台上离落粒子接收器几码远的传感器，以及悬挂在22英尺宽的系留氦气球上的传感器来测量在华氏1300度以上的温度下运行时释放的粒子数量。

桑迪亚的系留气球专家Dari Dexheimer和她的团队在太阳能发电塔的上风口不到一个足球场的地方部署了一个气球，在下风口部署了两个气球，以探测远离接收器的尘埃颗粒。下风口中的其中一个气球与太阳能发电塔的距离比足球场远一点，另一个在两个足球场之外。下风口的气球漂浮在大约22层楼高的高度——比太阳能发电塔本身高一点——而上风口的气球比这低一点。

气球及其系绳配有各种传感器，以计算它们周围空气中的灰尘颗粒数量，以及它们的高度和精确位置。系留气球在指定高度停留了三个小时，在此期间团队收集了大量数据。Dexheimer说，他们还使用了一个小型遥控气球，在高度和位置方面移动性要强得多。

Dexheimer 说："这些气球使我们能够每秒钟收集一次数据，在整个区域收集了三个小时的数据。"由于我们实时获得数据，因此我们可以随时移动系留气球，以便测量最高强度区域的羽流，确定羽状边缘的位置，以及随着时间的推移跟踪羽流的整个运动。

该小组还在太阳能发电塔平台上放置了各种传感器，距离落粒子接收机只有几码远。这些传感器可以计算尘埃颗粒的数量，并确定其大小和特征。

Andres Sanchez是桑迪亚测量悬浮在空气中的细颗粒的专家，两年前他和同事AndrewGlen一起领导了这些测试以及类似的测试。

在最近的测试中，研究人员构建了特殊的类似锯状倒流桶收集器，以测量颗粒的数量及其大小。这一装置有点像一个倾斜的水桶雨量计，空气中的粒子会从漏斗下落，降落在类似锯子的平台上。一旦平台上积起了一定重量的尘埃颗粒，它就会翻倒并向研究人员发送电信号。在一定时间内，所接收到的信号的数量便可告诉研究人员粒子发射事件的频率，测试后，他们可以称量桶底的粒子以确定收集的量。

计算机建模和防尘

在一次落粒子接收器测试中，桑迪亚国家实验室的国家太阳能热测试设施的上下风都部署了三个系留气球。由Cliff Ho领导的研究小组发现，从接收器中逸出的微小颗粒（比滑石粉更细）的浓度远远低于环境保护局的限制。（照片由Randy Montoya提供）

他们比较了靠近落粒子接收器的传感器和部署在气球上较远的传感器的结果，发现微小颗粒的浓度比滑石粉要小得多，远远低于EPA的限制。

他们发现尘埃颗粒的浓度取决于当时的天气状况。Sanchez说，他们在大风天可以探测到离太阳塔更远的地方的尘埃颗粒，在平静的日子里，在太阳塔附近探测到的尘埃颗粒浓度更高。CliffHo补充说，当风从北方或西北吹入接收器时，产生的尘埃颗粒最多。

"我们使用EPA的粒子分散模型做了一些计算机建模，"Cliff Ho说。"基本上，测试中测量的颗粒排放量要比EPA的标准低400倍。根据我们的测量和模型，不存在达到EPA阈值的可能性。

这种类似楼梯的系统会降低深色的沙状陶瓷颗粒收到集中的阳光照射时的降落速度。楼梯状系统可减少风对下落颗粒物的影响，减少可能对健康造成危害的细尘的释放。（视频由澳大利亚联邦科学和工业研究组织Jin-Soo Kim提供）

通过测试和计算机建模模拟，该团队开发出几种不同的方法来减少细尘颗粒的排放。首先，他们优化了落粒子接收器的几何形状，以减少粒子损失，CliffHo说。他们开发了一个类似楼梯的系统，在粒子坠落时减慢接收器中的粒子速度，并开发出一种装置，帮助减轻风对下落颗粒的影响。

他们探索但最终放弃了的另外两个想法分别是：一个是给下落粒子添加一个窗口，这使得这些陶瓷粒子在受热时不易扩大到较大的尺寸。另一种是用气帘保护颗粒，就像商店入口处用来隔离商店内部的热空气或冷空气一样。

Cliff Ho和他的团队刚刚获得资金，用于建造一个试验性落粒子接收器工厂，该工厂将纳入这些测试所开发的改进措施。

Dexheimer说："我通常专注于大气测量，并模拟如果二氧化碳排放量减少一定量，大气会如何反应。"在这项工作中，我积极地参与了较少颗粒物排放的工作。我想我们都很喜欢看到事物的积极性一面，想方设法使可再生能源更高效、更可行。”

气球测试由美国能源部太阳能技术办公室支持，该团队是测试内置热存储装置的高温集中太阳能发电系统的三个团队之一。

桑迪亚国家实验室是美国能源部国家核安全管理局的霍尼韦尔国际公司全资子公司桑迪亚有限责任公司的国家技术和工程解决方案公司运营的多任务实验室。桑迪亚实验室在核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面承担着重大研发责任，主要设施位于新墨西哥州阿尔伯克基和加利福尼亚州利弗莫尔。

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