去年11月，一個(gè)意料之外的消息來(lái)源稱(chēng)，集中式太陽(yáng)能(可能用于工業(yè)綠色能源)取得了突破。一家人知的公司Heliogen宣布其到來(lái)，它首次有能力將太陽(yáng)能集中到商業(yè)規(guī)模上 - 達(dá)到超過(guò)1000°C的溫度。
該公司聲稱(chēng)，這意味著它可以在關(guān)鍵的工業(yè)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(chǎn)生氫氣。
集中式太陽(yáng)能使用鏡子或透鏡將大范圍的陽(yáng)光聚焦到接收器上。Heliogen創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官比爾·格羅斯(Bill Gross)表示，商業(yè)化Heliogen意味著將溫度與功率相結(jié)合(介于250至400kW之間)用于工業(yè)用途。該公司的目標(biāo)是將該數(shù)字增加到1MW至10MW。
格羅斯說(shuō)，以前使用拋物線形天線聚焦太陽(yáng)光線，但以前僅能達(dá)到5kW左右的功率。但是，使用新的方法，焦點(diǎn)會(huì)隨著太陽(yáng)移動(dòng)。Heliogen的系統(tǒng)將功率集中在安裝在塔上的固定目標(biāo)上。它的突破是基于使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和復(fù)雜的軟件來(lái)控制一系列鏡子的。
格羅斯說(shuō)：“有了一個(gè)盤(pán)子，當(dāng)您想聚集陽(yáng)光時(shí)，您所要做的就是將它對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。” 使用簡(jiǎn)單的光傳感器可以輕松完成跟蹤太陽(yáng)的過(guò)程。
相比之下，Heliogen在加利福尼亞州蘭開(kāi)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(shuō)：“在我們的系統(tǒng)中，必須微調(diào)每個(gè)鏡子的角度，以將太陽(yáng)和塔之間的角度等分” – 因?yàn)樾枰刂铺?yáng)光線的入射角等于反射角。
他補(bǔ)充說(shuō)，不僅所有的鏡子都必須指向稍有不同的方向，“每個(gè)鏡子都不指向太陽(yáng)或塔，而是指向中間的一個(gè)點(diǎn)，換句話說(shuō)，指向天空中的不可見(jiàn)點(diǎn)。”
在以前的陣列中，這是通過(guò)使用復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)將每個(gè)反射鏡高度精確地定位在地面上并使每個(gè)反射鏡非常堅(jiān)固而解決的。然后將它們指向隨時(shí)跟蹤太陽(yáng)的計(jì)算位置的方向。
格羅斯說(shuō)，這只能以有限的準(zhǔn)確性來(lái)完成。“大多數(shù)光束不能準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，而這種誤差會(huì)阻止達(dá)到極高的溫度。”
該技術(shù)使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件來(lái)使一系列反射鏡將光聚焦在單個(gè)目標(biāo)上
對(duì)于距離目標(biāo)幾百米的反射鏡，將其偏離零點(diǎn)幾度會(huì)導(dǎo)致在目標(biāo)上以米為單位測(cè)量的誤差。典型的結(jié)果是直徑約10米的斑點(diǎn)，最高溫度為600℃。
它的溫度足以產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，但這與直接從光伏面板發(fā)電沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。
格羅斯說(shuō)：“我們所做的就是找到一種可以更精確地移動(dòng)鏡子的方法。同時(shí)消除對(duì)它們進(jìn)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(qū)域上。”
Heliogen使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和定制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。塔上的攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)整個(gè)反射鏡陣列，以每秒30幀的速度捕獲視頻。計(jì)算機(jī)視覺(jué)用于分析反射鏡邊緣的位置和每個(gè)反射鏡的反射角度，并每秒微調(diào)30次。每個(gè)反射鏡均通過(guò)以太網(wǎng)連接接收命令，并裝有兩個(gè)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(為了維護(hù)最小化)，以進(jìn)行連續(xù)的微調(diào)整。
格羅斯說(shuō)：“我們不依賴(lài)檢查位置或任何預(yù)先確定的內(nèi)容。我們只是看著從鏡子向塔的出射光線，這正是我們所關(guān)心的。”
格羅斯表示，以前之所以沒(méi)有做到這一點(diǎn)，部分原因是直到NVIDIA GPU處理器的價(jià)格充分降低之前，沒(méi)有足夠的處理能力以實(shí)時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。
其次，需要在人工智能、圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析(公司的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán))方面進(jìn)行大型軟件開(kāi)發(fā)。盡管成立于2013年Heliogen才剛剛揭開(kāi)面紗，但格羅斯認(rèn)為相當(dāng)于40到50人·年的工作投入到了軟件開(kāi)發(fā)，最終在11月的演示中達(dá)到頂峰。
不僅達(dá)到了前所未有的溫度，而且系統(tǒng)的成本更低。鏡子不必是剛性的或精心放置的，這兩者都會(huì)增加成本。“我們的系統(tǒng)是閉環(huán)的，就像睜著眼睛跟蹤鏡子一樣。格羅斯說(shuō)：“其他系統(tǒng)視而不見(jiàn)，根據(jù)規(guī)劃表放置鏡子。在我們的系統(tǒng)中，任何地面沉降都將自動(dòng)得到補(bǔ)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(hù)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?yàn)樗鼈兎瓷涞墓饩€使它們保持涼爽。對(duì)于集熱器，窯內(nèi)使用的耐火陶瓷磚可承受高溫。
格羅斯對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用有三大抱負(fù)：首先，對(duì)于那些想為工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)蒸汽的客戶(hù);第二，用于水泥生產(chǎn)等過(guò)程;第三，分解水產(chǎn)生綠色氫氣。
該系統(tǒng)可以集中太陽(yáng)能以達(dá)到高于1000℃的溫度
對(duì)于工業(yè)用途，下一步將是將集中式太陽(yáng)能系統(tǒng)集成到制造過(guò)程中。目前僅在回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行水泥生產(chǎn)，僅占全球二氧化碳排放量的7%。將兩者集成是一個(gè)好主意。
格羅斯說(shuō)，最初的重點(diǎn)將放在煅燒的第一階段，因?yàn)檫@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(qū)除二氧化碳，剩下氧化鈣。格羅斯預(yù)計(jì)將通過(guò)傳送帶將石灰石分批運(yùn)送到塔頂以烤箱的形式加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。
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(duì)流加熱器中來(lái)加熱烤箱。
格羅斯重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，即Heliogen的系統(tǒng)能夠以低成本將蒸汽加熱到所需溫度，然后將其轉(zhuǎn)移到需要熱量的任何地方。
他說(shuō)：“下一個(gè)階段是與實(shí)際流程集成，這是我們將與客戶(hù)一起完成的工作。”
在11月的演示之后，“超過(guò)1000個(gè)”潛在客戶(hù)已經(jīng)聯(lián)系了Heliogen，盡管該公司尚無(wú)法宣布任何名稱(chēng)。
格羅斯說(shuō)：“我們有些客戶(hù)只想將蒸汽用于工業(yè)生產(chǎn)，我們可以立即向他們出售產(chǎn)品。”
其他潛在客戶(hù)需要將集中式太陽(yáng)能系統(tǒng)匹配和集成到其流程中所需的研發(fā)方面的合作。格羅斯渴望將Heliogen的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與行業(yè)合作伙伴的專(zhuān)業(yè)技術(shù)相結(jié)合。從擁有最佳日光照射點(diǎn)或最合適的工藝的角度來(lái)看，可以選擇最有前途的合作者。
他補(bǔ)充說(shuō)，大多數(shù)人都希望一天24小時(shí)運(yùn)行他們的過(guò)程，但這可以通過(guò)蓄熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)向耐火磚上吹入由太陽(yáng)能收集器加熱的空氣或蒸汽來(lái)廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)，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(lái)額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘⑿枰繕?biāo)承受1500℃的溫度。然后，氫氣將不得不被壓縮和運(yùn)輸。
當(dāng)前，使用太陽(yáng)能光伏電來(lái)電解水與甲烷重整以產(chǎn)生氫的競(jìng)爭(zhēng)力不足。但是，格羅斯認(rèn)為，集中式太陽(yáng)能的效率要比光伏高，因?yàn)樗苯永昧颂?yáng)的熱量，而不是先將其轉(zhuǎn)化為電能，而且該過(guò)程能夠持續(xù)夜間持續(xù)運(yùn)行。
他為實(shí)際應(yīng)用設(shè)定了一個(gè)雄心勃勃的時(shí)間表，期望今年看到蒸汽用戶(hù)使用該技術(shù)，明年將其整合到水泥或鋼鐵生產(chǎn)等工藝中，并在2022年實(shí)現(xiàn)氫氣生產(chǎn)。
安裝集中式太陽(yáng)能不需要進(jìn)行大型建設(shè)項(xiàng)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(chǔ)，可以由非熟練工人安裝。隨著時(shí)間的推移，它們將由太陽(yáng)能電池板供電，并通過(guò)wi-fi連接，從而消除了電纜連接。
從資金的角度來(lái)看，Heliogen已經(jīng)擁有比爾·蓋茨(Bill Gates)等眾多知名投資者。自發(fā)布以來(lái)，還有更多人提出來(lái)。格羅斯堅(jiān)信公司擁有所需的支持。他說(shuō)：“我們資金雄厚，我們可以輕松地將其一路推向市場(chǎng)。”
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