微小的尘埃颗粒，22英尺宽的红色气球和“集中的”阳光有什么共同点?桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的研究人员最近使用22英尺宽的系留气球收集了空气中尘埃颗粒的样本，以确保新兴的太阳能技术的安全性。该项目的首席研究员Cliff Ho说，这项研究确定新技术产生的粉尘远低于危险水平。Ho的团队刚刚从能源部获得了2500万美元的资金，用于建设将采用该技术的中试工厂。
这种下一代可再生能源技术被称为用于聚集太阳能的高温降落粒子接收器。集中太阳能虽然不像太阳能电池板或风力涡轮机那样普遍，但与那些可再生能源相比具有多个优势，包括能够以热能的形式存储能量，然后再将其转化为电网中的电能。
桑迪亚的聚光太阳能专家霍说，亚利桑那州的一个聚光太阳能发电厂使用熔融盐将热量储存六个小时，而从理论上讲，其他工厂可以将热量储存数天或数周。这将有助于电力公司使太阳能电池板和风力涡轮机发电量的每日和季节性变化均匀。
下落粒子接收器的工作原理是，将深色的沙子状陶瓷粒子从一束聚光的阳光中滴下，然后存储加热的粒子。这些圆形颗粒的价格为2.2磅1美元，比传统的基于熔融盐的聚光太阳能系统更热，从而提高了效率并降低了成本。桑迪亚团队还评估了其他颗粒，例如沙子，每磅仅花费几美分，但他们确定，由于陶瓷颗粒能够吸收更多的太阳能并提供更顺畅的流动，陶瓷颗粒是最好的选择。能源部的目标是将太阳能发电的电力成本降低到每千瓦时5美分，与传统的化石燃料发电相当。
但是，重复使用的颗粒最终会分解成细小的灰尘。环境保护局和职业安全与健康管理局管理着比滑石粉细的细粉尘颗粒，这些细粉尘颗粒具有造成肺部伤害的风险。
Ho说：“进行颗粒采样的动机是确保这种可再生能源的新技术不会造成任何环境或工人安全问题。” “有一些粒子从下落粒子接收器中发射出来，但数量远低于EPA和国家职业安全与健康研究所设定的标准。”
去年秋天，研究团队使用了距离太阳能塔或国家太阳能热测试设施(National Solar Thermal Test Facility)平台上的坠落粒子接收器仅几码远的传感器，以及悬挂在22英尺宽，系留的氦气球上的传感器来进行测量在高于华氏1300度的温度下运行时释放的颗粒。
桑迪亚的系绳气球专家达里·德克斯海默(Dari Dexheimer)和她的团队在太阳塔上风向不到一个足球场的地方部署了一个气球，在下风向部署了两个气球，以探测远离接收器的灰尘颗粒。一个顺风气球比一个足球场远一点，另一个比两个足球场远。顺风气球高约22层，比太阳塔本身高一些，而顺风气球则低一些。
气球及其系绳配有各种传感器，可以计算气球周围空气中尘埃的数量，高度和精确位置。系留的气球在指定的高度停留了三个小时，使团队能够收集大量数据。德克斯海默说，他们还操纵了一个小型遥控气球，该气球在高度和位置方面具有更大的移动性。
戴克斯海默说：“这使我们能够在整个区域内每三个小时每秒收集一次数据，”他通常在阿拉斯加北部上空系着气球，以收集用于北极气候监测和建模的数据。“自从我们获得实时数据以来，我们可以移动系留气球，以便在羽流的最高强度区域进行测量，确定羽流边缘在哪里或随时间跟踪羽流的整个运动。”
该团队还在距坠落粒子接收器仅几码远的太阳塔平台上放置了各种传感器。这些传感器可以计算灰尘颗粒的数量，并确定其尺寸和特性。
桑迪亚(Sandia)负责测量悬浮在空气中的细小颗粒的专家安德列斯·桑切斯(Andres Sanchez)与他的同事安德鲁·格伦(Andrew Glen)一起在两年前进行了这些测试以及类似的测试。
对于最新的测试，研究人员构造了类似跷跷板的特殊倾翻斗式收集器，以测量颗粒的数量及其尺寸。有点像翻斗式雨量计，空气中的颗粒会从漏斗中落下并降落在类似于跷跷板的平台上。一旦平台上堆积了一定重量的灰尘颗粒，它将倾翻并向研究人员发送电信号。在一定时间内倾倒信号的数量告诉研究人员颗粒发射事件的频率，经过测试，他们可以称量桶底部的颗粒以确定收集的量。
在落下的粒子接收器测试中，三个系留气球在桑迪亚国家实验室的国家太阳能热测试设施的上风和下风部署。由Cliff Ho带领的研究小组发现，从接收器中逸出的比滑石粉细的细颗粒的浓度远低于环境保护局的限值。图片来源：Randy Montoya / Sandia国家实验室
计算机建模和减尘
比较接近下落颗粒接收器的传感器和气球上较远的传感器的结果，他们发现比滑石粉细的微小颗粒的浓度远低于EPA限值。
他们发现灰尘颗粒的浓度取决于当前的天气状况。桑切斯说，在刮风的日子里，他们发现尘埃颗粒离太阳塔更远，而在平静的日子里，尘埃颗粒的浓度更高。Ho补充说，当风从北方或西北方向吹入接收器时，产生的灰尘颗粒最多。
Ho说：“我们使用EPA的颗粒扩散模型进行了一些计算机建模。” “从根本上讲，要达到EPA标准，将需要比以前的测试大400倍的颗粒发射量。根据我们的测量和模型，我没有预见到我们真正要达到的任何条件。这些门槛。”
通过测试和计算机建模仿真，该团队能够开发出几种不同的方法来减少细尘颗粒的排放。首先，他们优化了下落粒子接收器的形状和几何形状，以减少粒子损失，Ho说。他们开发了一种类似于楼梯的系统，可以在接收器掉落时减慢接收器中的颗粒的速度，并开发出“喷口”功能，以减轻风对掉落的颗粒的影响。
他们还探索并最终放弃了另外两个想法。一种方法是在落下的粒子上方开一个窗口，因为聚光的阳光会使它变得太热，而且不容易按比例放大成大尺寸。另一种方法是用气幕保护颗粒，就像商店入口处用来将热空气或冷空气保持在商店内部的那些一样。
Ho和他的团队刚刚获得资金来建立一个试验性的降落粒子接收器工厂，该工厂将结合这些测试中开发的改进。
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，大气将如何响应。” “通过这项工作，我能够积极减少这些排放。我认为我们所有人都非常乐意看到硬币的另一面，弄清楚如何使可再生能源更高效，更可行。”
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