麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)提出了一個(gè)概念設(shè)計(jì)

麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)提出了一個(gè)概念設(shè)計(jì)，用于存儲(chǔ)可再生能源的系統(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)。該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成為小城市提供動(dòng)力，不僅在太陽升起或風(fēng)力很大時(shí)，而且是全天候。

新的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)熱量由過量產(chǎn)生電力在白熱化熔融硅的大罐從太陽能或風(fēng)力發(fā)電，然后從發(fā)光的金屬的光轉(zhuǎn)換回電力在需要時(shí)。研究人員估計(jì)，這種系統(tǒng)比鋰離子電池更便宜，鋰離子電池已被提出作為存儲(chǔ)可再生能源的可行且昂貴的方法。他們還估計(jì)，該系統(tǒng)的成本約為抽水蓄能電池的一半 - 這是迄今為止最便宜的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能形式。

“即使我們現(xiàn)在想要在可再生能源上運(yùn)行電網(wǎng)我們也不能，因?yàn)槟阈枰剂蠝u輪機(jī)來彌補(bǔ)可再生能源無法按需發(fā)送的事實(shí)，”Asegun Henry，Robert說道。 N. Noyce職業(yè)發(fā)展機(jī)械工程系副教授。“我們正在開發(fā)一種新技術(shù)，如果成功，將解決能源和氣候變化中最重要和最關(guān)鍵的問題，即存儲(chǔ)問題。”

亨利和他的同事們今天在“ 能源與環(huán)境科學(xué) ”雜志上發(fā)表了他們的設(shè)計(jì)。

記錄臨時(shí)值

新的存儲(chǔ)系統(tǒng)源于一個(gè)項(xiàng)目，研究人員在這個(gè)項(xiàng)目中尋找提高可再生能源效率的方法，稱為集中太陽能。與使用太陽能電池板將光直接轉(zhuǎn)換為電能的傳統(tǒng)太陽能電廠不同，聚光太陽能需要大面積的巨大鏡子，將太陽光聚集到中央塔上，在那里光被轉(zhuǎn)換成熱量，最終變成電能。

“技術(shù)很有意思的原因是，一旦你進(jìn)行了聚焦光線以獲取熱量的過程，你可以比儲(chǔ)存電力更便宜地儲(chǔ)存熱量，”亨利指出。

集中的太陽能發(fā)電廠將太陽能熱量存儲(chǔ)在裝滿熔鹽的大型儲(chǔ)罐中，該熔融鹽被加熱到大約1000華氏度的高溫。當(dāng)需要電力時(shí)，熱鹽被泵送通過熱交換器，熱交換器將鹽的熱量轉(zhuǎn)移到蒸汽中。然后渦輪機(jī)將該蒸汽轉(zhuǎn)化為電能。

“這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但人們一直認(rèn)為它的成本永遠(yuǎn)不會(huì)低到足以與天然氣競(jìng)爭(zhēng)，”亨利說。“所以推動(dòng)在更高的溫度下運(yùn)行，因此你可以使用更高效的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)并降低成本。”

但是，如果操作人員將鹽加熱到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前溫度，則鹽會(huì)腐蝕儲(chǔ)存它的不銹鋼罐。所以亨利的團(tuán)隊(duì)尋找一種除了鹽以外的介質(zhì)，可以在更高的溫度下儲(chǔ)存熱量。他們最初提出了一種液態(tài)金屬并最終沉積在硅上 - 硅是地球上最豐富的金屬，可以承受超過4,000華氏度的令人難以置信的高溫。

去年，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可以承受這種起泡熱量的泵，并且可以想象地通過可再生存儲(chǔ)系統(tǒng)泵送液態(tài)硅。該泵具有最高的耐熱性，這是“The Guiness Book of World Records”中提到的一項(xiàng)壯舉。自那次開發(fā)以來，該團(tuán)隊(duì)一直在設(shè)計(jì)一個(gè)可以裝入這種高溫泵的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

“太陽在一個(gè)盒子里”

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)概述了他們的新型可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念，他們稱之為TEGS-MPV，用于熱能網(wǎng)格存儲(chǔ) - 多結(jié)光伏發(fā)電。他們建議不要使用鏡子和中央塔的區(qū)域來集中熱量，而是通過焦耳加熱將任何可再生能源(如陽光或風(fēng))產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能 - 電流通過加熱元件。

該系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的可再生能源系統(tǒng)(例如太陽能電池)配對(duì)，以在白天捕獲多余的電力并將其存儲(chǔ)以供以后使用。例如，考慮一下亞利桑那州的一個(gè)小鎮(zhèn)，它從太陽能發(fā)電廠獲得部分電力。

“說每個(gè)人下班回家，打開他們的空調(diào)，太陽正在下降，但它仍然很熱，”亨利說。“那時(shí)候，光伏發(fā)電的輸出量不會(huì)很大，所以你必須在當(dāng)天早些時(shí)候儲(chǔ)存一些能量，就像太陽正午時(shí)一樣。多余的電能可以輸送到儲(chǔ)存室。我們?cè)谶@里發(fā)明的系統(tǒng)。“

該系統(tǒng)由一個(gè)巨大的，高度絕緣的，10米寬的油箱組成，由石墨制成并充滿液態(tài)硅，保持在接近3,500華氏度的“冷”溫度。暴露于加熱元件的一排管子然后將該冷罐連接到第二個(gè)“熱”罐。當(dāng)來自城鎮(zhèn)太陽能電池的電力進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，這種能量在加熱元件中轉(zhuǎn)化為熱量。同時(shí)，液態(tài)硅被泵出冷水箱，當(dāng)它通過暴露在加熱元件的管束時(shí)進(jìn)一步加熱，進(jìn)入熱水箱，現(xiàn)在熱能儲(chǔ)存在更高的溫度約4,300 F。

當(dāng)需要電力時(shí)，比如說，在太陽落山之后，熱的液體硅 - 如此熱，它發(fā)出白光 - 被泵送通過一系列發(fā)出光線的管子。被稱為多結(jié)光伏發(fā)電的專用太陽能電池然后將這種光轉(zhuǎn)化為電能，這些電能可以提供給城鎮(zhèn)的電網(wǎng)?，F(xiàn)在冷卻的硅可以被泵送回冷水箱，直到下一輪存儲(chǔ) - 有效地作為大型可充電電池。

“人們開始稱之為我們的概念的一個(gè)深情的名字是'太陽在盒子里'，這是我的同事Shannon Yee在佐治亞理工學(xué)院創(chuàng)造的，”亨利說。“它基本上是一個(gè)極其強(qiáng)烈的光源，它全部都裝在一個(gè)可以捕獲熱量的盒子里。”

存儲(chǔ)密鑰

亨利說，該系統(tǒng)需要厚的油箱，并且足夠強(qiáng)大，以使內(nèi)部的熔融液體絕緣。

亨利說：“內(nèi)部的東西發(fā)白，但你在外面觸摸的應(yīng)該是室溫。”

他建議坦克由石墨制成。但有人擔(dān)心，在如此高的溫度下，硅會(huì)與石墨反應(yīng)生成碳化硅，這會(huì)腐蝕油箱。

為了測(cè)試這種可能性，該團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)微型石墨罐并用液態(tài)硅填充。當(dāng)液體在3600°F保持約60分鐘時(shí)，確實(shí)形成碳化硅，但不是腐蝕罐，而是形成薄的保護(hù)性襯里。

“它堅(jiān)持石墨并形成保護(hù)層，防止進(jìn)一步反應(yīng)，”亨利說。“所以你可以用石墨制造這個(gè)罐子，它不會(huì)被硅片腐蝕。”

該小組還找到了解決另一個(gè)挑戰(zhàn)的方法：由于系統(tǒng)的坦克必須非常大，因此不可能用一塊石墨建造它們。如果它們由多個(gè)部件制成，則必須以這樣的方式密封它們以防止熔融液體泄漏。在他們的論文中，研究人員證明，他們可以通過將石墨片與碳纖維螺栓擰在一起并用石墨柔性石墨密封它們來防止任何泄漏，石墨可作為高溫密封劑。

研究人員估計(jì)，單個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以使大約100,000個(gè)家庭的小城市完全由可再生能源供電。

Henry強(qiáng)調(diào)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在地理上是無限的，這意味著它可以位于任何地方，無論位置如何。這與泵送水力發(fā)電形成對(duì)比 - 泵送水力發(fā)電是目前最便宜的能量存儲(chǔ)形式，其需要能夠容納大型瀑布和水壩的位置，以便從落水中存儲(chǔ)能量。

“這在地理上是無限的，比泵送水力發(fā)電便宜，這非常令人興奮，”亨利說。“從理論上講，這是實(shí)現(xiàn)可再生能源為整個(gè)電網(wǎng)供電的關(guān)鍵。”