光热电站取得突破 温度超过1000°C 能够为重工业提供动力

去年11月，一个意料之外的消息来源称，集中式太阳能(可能用于工业绿色能源)取得了突破。一家人知的公司Heliogen宣布其到来，它首次有能力将太阳能集中到商业规模上 - 达到超过1000°C的温度。

该公司声称，这意味着它可以在关键的工业流程(例如水泥、钢铁或铝制造)中替代化石燃料，并有可能用于热分解水以产生氢气。

集中式太阳能使用镜子或透镜将大范围的阳光聚焦到接收器上。Heliogen创始人兼首席执行官比尔·格罗斯(Bill Gross)表示，商业化Heliogen意味着将温度与功率相结合(介于250至400kW之间)用于工业用途。该公司的目标是将该数字增加到1MW至10MW。

格罗斯说，以前使用抛物线形天线聚焦太阳光线，但以前仅能达到5kW左右的功率。但是，使用新的方法，焦点会随着太阳移动。Heliogen的系统将功率集中在安装在塔上的固定目标上。它的突破是基于使用计算机视觉和复杂的软件来控制一系列镜子的。

格罗斯说：“有了一个盘子，当您想聚集阳光时，您所要做的就是将它对准太阳。” 使用简单的光传感器可以轻松完成跟踪太阳的过程。

相比之下，Heliogen在加利福尼亚州兰开斯特的装置中有400面镜子，每面镜子的大小为1.5平方米。它们的地面覆盖率约为33%，分布在1800平方米的总面积中。

格罗斯解释说：“在我们的系统中，必须微调每个镜子的角度，以将太阳和塔之间的角度等分” – 因为需要控制太阳光线的入射角等于反射角。

他补充说，不仅所有的镜子都必须指向稍有不同的方向，“每个镜子都不指向太阳或塔，而是指向中间的一个点，换句话说，指向天空中的不可见点。”

在以前的阵列中，这是通过使用复杂的测量技术将每个反射镜高度精确地定位在地面上并使每个反射镜非常坚固而解决的。然后将它们指向随时跟踪太阳的计算位置的方向。

格罗斯说，这只能以有限的准确性来完成。“大多数光束不能准确地对准目标，而这种误差会阻止达到极高的温度。”

该技术使用先进的计算机视觉软件来使一系列反射镜将光聚焦在单个目标上

对于距离目标几百米的反射镜，将其偏离零点几度会导致在目标上以米为单位测量的误差。典型的结果是直径约10米的斑点，最高温度为600℃。

它的温度足以产生蒸汽并驱动涡轮机发电，但这与直接从光伏面板发电没有竞争力。

格罗斯说：“我们所做的就是找到一种可以更精确地移动镜子的方法。同时消除对它们进行初始精确定位的需要。因此，光线可以聚焦在篮球筐大小 – 直径460毫米 - 的区域上。”

Heliogen使用计算机视觉和定制软件来实现这一目标。塔上的摄像机对准整个反射镜阵列，以每秒30帧的速度捕获视频。计算机视觉用于分析反射镜边缘的位置和每个反射镜的反射角度，并每秒微调30次。每个反射镜均通过以太网连接接收命令，并装有两个无刷电动机(为了维护最小化)，以进行连续的微调整。

格罗斯说：“我们不依赖检查位置或任何预先确定的内容。我们只是看着从镜子向塔的出射光线，这正是我们所关心的。”

格罗斯表示，以前之所以没有做到这一点，部分原因是直到NVIDIA GPU处理器的价格充分降低之前，没有足够的处理能力以实时进行复杂的计算。

其次，需要在人工智能、图像识别和计算机视觉分析(公司的核心知识产权)方面进行大型软件开发。尽管成立于2013年Heliogen才刚刚揭开面纱，但格罗斯认为相当于40到50人·年的工作投入到了软件开发，最终在11月的演示中达到顶峰。

不仅达到了前所未有的温度，而且系统的成本更低。镜子不必是刚性的或精心放置的，这两者都会增加成本。“我们的系统是闭环的，就像睁着眼睛跟踪镜子一样。格罗斯说：“其他系统视而不见，根据规划表放置镜子。在我们的系统中，任何地面沉降都将自动得到补偿。”

镜子是由普通的玻璃制成的，带有镀银的衬里，背面镀有一层铜和一层户外涂料。该玻璃只有3.2毫米厚 - 尽可能薄以获得最大的反射率，但足以抵御冰雹。

镜子不需要特殊的材料 - 因为它们反射的光线使它们保持凉爽。对于集热器，窑内使用的耐火陶瓷砖可承受高温。

格罗斯对该技术的应用有三大抱负：首先，对于那些想为工业过程生产蒸汽的客户;第二，用于水泥生产等过程;第三，分解水产生绿色氢气。

该系统可以集中太阳能以达到高于1000℃的温度

对于工业用途，下一步将是将集中式太阳能系统集成到制造过程中。目前仅在回转窑中进行水泥生产，仅占全球二氧化碳排放量的7%。将两者集成是一个好主意。

格罗斯说，最初的重点将放在煅烧的第一阶段，因为这是消耗大部分能量的地方。在煅烧阶段中，将石灰石(碳酸钙)加热到900℃-1000℃以驱除二氧化碳，剩下氧化钙。格罗斯预计将通过传送带将石灰石分批运送到塔顶以烤箱的形式加热来实现。

或者，将蒸汽加热到1000℃，并在绝热管中降到地面(只有10-20°C的温度下降)，然后将其直接用于加热物料，或用于对流加热器中来加热烤箱。

格罗斯重点强调，即Heliogen的系统能够以低成本将蒸汽加热到所需温度，然后将其转移到需要热量的任何地方。

他说：“下一个阶段是与实际流程集成，这是我们将与客户一起完成的工作。”

在11月的演示之后，“超过1000个”潜在客户已经联系了Heliogen，尽管该公司尚无法宣布任何名称。

格罗斯说：“我们有些客户只想将蒸汽用于工业生产，我们可以立即向他们出售产品。”

其他潜在客户需要将集中式太阳能系统匹配和集成到其流程中所需的研发方面的合作。格罗斯渴望将Heliogen的专业知识与行业合作伙伴的专业技术相结合。从拥有最佳日光照射点或最合适的工艺的角度来看，可以选择最有前途的合作者。

他补充说，大多数人都希望一天24小时运行他们的过程，但这可以通过蓄热来实现。通过向耐火砖上吹入由太阳能收集器加热的空气或蒸汽来廉价地实现，可以在夜晚将热量回收。

格罗斯将绿色氢描述为“圣杯”。这将带来额外的挑战，因为它将需要目标承受1500℃的温度。然后，氢气将不得不被压缩和运输。

当前，使用太阳能光伏电来电解水与甲烷重整以产生氢的竞争力不足。但是，格罗斯认为，集中式太阳能的效率要比光伏高，因为它直接利用了太阳的热量，而不是先将其转化为电能，而且该过程能够持续夜间持续运行。

他为实际应用设定了一个雄心勃勃的时间表，期望今年看到蒸汽用户使用该技术，明年将其整合到水泥或钢铁生产等工艺中，并在2022年实现氢气生产。

安装集中式太阳能不需要进行大型建设项目。只有大约40米高的塔需要大量的施工。镜子不需要任何特殊的基础，可以由非熟练工人安装。随着时间的推移，它们将由太阳能电池板供电，并通过wi-fi连接，从而消除了电缆连接。

从资金的角度来看，Heliogen已经拥有比尔·盖茨(Bill Gates)等众多知名投资者。自发布以来，还有更多人提出来。格罗斯坚信公司拥有所需的支持。他说：“我们资金雄厚，我们可以轻松地将其一路推向市场。”