麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們提出了一種概念設(shè)計，用于存儲太陽能和風(fēng)能等可再生能源，并根據(jù)需要將這些能源輸送回電網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅可以在太陽升起或風(fēng)大的時候為一個小城市供電，而且可以全天候供電。新設(shè)計將太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的多余電能儲存在裝有白熱熔融硅的大容器中，然后在需要時將發(fā)光金屬發(fā)出的光轉(zhuǎn)換回電能。研究人員估計，這種系統(tǒng)將比鋰離子電池便宜得多。鋰離子電池被認(rèn)為是一種可行但昂貴的儲存可再生能源的方法。
估計該系統(tǒng)的成本大約是抽水蓄能電站的一半，抽水蓄能電站是迄今為止最便宜的柵格級儲能形式。機械工程系羅伯特·n·諾伊斯(Robert N. Noyce)職業(yè)發(fā)展副教授阿塞貢·亨利(Asegun Henry)說：即使我們現(xiàn)在想在可再生能源上運行電網(wǎng)，我們也做不到，因為你需要化石燃料渦輪機來彌補不能按需分配可再生能源供應(yīng)的事實。亨利和他的同事于2018年12月6日在《能源與環(huán)境科學(xué)》上發(fā)表了他們的設(shè)計。
記錄溫度
新的存儲系統(tǒng)源于一個項目，研究人員在這個項目中尋找提高一種可再生能源的效率方法，這種可再生能源被稱為集中太陽能。與傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電廠使用太陽能電池板將光直接轉(zhuǎn)化為電能不同，集中式太陽能發(fā)電廠需要大面積的巨型鏡子，將陽光集中到中心塔上，在那里，光被轉(zhuǎn)化為熱能，最終轉(zhuǎn)化為電能。技術(shù)有趣的原因是，一旦你對光進(jìn)行聚焦來獲取熱量，你就可以以比儲存電力便宜得多的成本儲存熱量。集中式太陽能發(fā)電廠把太陽能儲存在裝滿熔鹽的大罐中，熔鹽被加熱到華氏1000度左右的高溫。當(dāng)需要電時，熱鹽通過熱交換器被泵入，熱交換器將鹽的熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽。然后渦輪機將蒸汽轉(zhuǎn)化為電能，這項技術(shù)已經(jīng)存在一段時間了。
麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一個可再生存儲系統(tǒng)的概念，如圖所示，該系統(tǒng)以白熱液態(tài)硅的形式存儲太陽能和風(fēng)能，儲存在高度絕緣的容器中。但人們一直認(rèn)為，它的成本永遠(yuǎn)不會低到足以與天然氣競爭因此有一種動力要求在更高的溫度下運行，這樣你就可以使用更高效的熱機，從而降低成本。然而，如果操作者將鹽加熱到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前溫度，鹽會腐蝕儲存鹽的不銹鋼罐。所以亨利的團(tuán)隊尋找一種除了鹽以外的介質(zhì)，它可以在更高的溫度下儲存熱量。他們最初提出了一種液態(tài)金屬，最終選定了硅——地球上儲量最豐富的金屬，能夠承受高達(dá)4000華氏度的高溫。去年該團(tuán)隊開發(fā)了一種能夠承受如此酷熱的泵，可以通過可再生存儲系統(tǒng)泵送液態(tài)硅。該泵具有有史以來最高的耐熱性，這一壯舉在《吉尼斯世界紀(jì)錄大全》中有記載。從那時起，該團(tuán)隊就一直在設(shè)計一種能與這種高溫泵相結(jié)合的儲能系統(tǒng)。
"盒子里的太陽"
現(xiàn)在研究人員概述了一種新的可再生能源存儲系統(tǒng)的概念，他們稱之為TEGS-MPV，用于熱能網(wǎng)格存儲-多結(jié)光伏。他們建議將任何可再生能源(如陽光或風(fēng)能)產(chǎn)生的電能，通過焦耳加熱(一種電流通過加熱元件的過程)轉(zhuǎn)化為熱能，而不是使用鏡子和中心塔來集中熱量。該系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的可再生能源系統(tǒng)(如太陽能電池)配套使用，以便在白天捕獲多余的電力，并儲存起來供以后使用。以亞利桑那州的一個小鎮(zhèn)為例，這個小鎮(zhèn)的部分電力來自太陽能發(fā)電廠。假設(shè)每個人下班回家，打開空調(diào)，太陽正在下山，但天還是熱的，到那個時候，光伏發(fā)電將不會有太多的輸出，所以你必須儲存一些白天早些時候的能量，比如太陽在中午的時候。
多余的電力可以被輸送到我們在這里發(fā)明的存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)將由一個由石墨制成的10米寬、高度絕緣的大水箱組成，里面裝滿液態(tài)硅，保持在近3500華氏度的“低溫”。一排管子暴露在加熱元件下，然后將這個冷水箱與另一個“熱”水箱連接起來。當(dāng)來自城鎮(zhèn)太陽能電池的電力進(jìn)入系統(tǒng)時，這些能量轉(zhuǎn)化為加熱元件中的熱量。與此同時，液態(tài)硅從冷罐中被泵出，當(dāng)它通過暴露在加熱元件下的一排管子時，會進(jìn)一步升溫，然后進(jìn)入熱罐中，此時的熱能儲存溫度要高得多，約為4300華氏度。
當(dāng)需要電的時候，比如太陽落山后，熾熱的硅液——熱得發(fā)白——被泵入一排發(fā)射這種光的管中。這種特殊的太陽能電池被稱為多結(jié)光伏電池，然后將這些光轉(zhuǎn)化為電能，可以提供給城鎮(zhèn)的電網(wǎng)?，F(xiàn)在已經(jīng)冷卻的硅可以被泵回冷水箱，直到下一輪儲存——有效地作為一個大的可充電電池。人們開始親切地稱呼我們的概念，其中一個名字是‘盒子里的太陽’，它是在喬治亞理工學(xué)院的同事香農(nóng)·易(Shannon Yee)發(fā)明的。基本上，它是一種非常強烈的光源，被裝在一個盒子里，用來吸收熱量。
一種存儲鑰匙
該系統(tǒng)需要足夠厚和堅固的容器來隔離內(nèi)部的熔融液體。這種材料的內(nèi)部熱得發(fā)白，但你接觸到的外部應(yīng)該是室溫。建議這些罐子是用石墨做的，但也有人擔(dān)心，在如此高的溫度下，硅會與石墨發(fā)生反應(yīng)，生成碳化硅，從而腐蝕水箱。為了測試這種可能性，研究小組制作了一個微型石墨罐，并在里面裝滿了液態(tài)硅。當(dāng)這種液體在3600華氏度下保持約60分鐘時，碳化硅確實形成了，但它沒有腐蝕容器，而是形成了一層薄薄的保護(hù)層。它粘附在石墨上，形成一層保護(hù)層，防止進(jìn)一步的反應(yīng)，所以可以用石墨建造這個容器，它不會被硅腐蝕。該小組還找到了一種解決另一個挑戰(zhàn)的方法:由于該系統(tǒng)的儲罐必須非常大，因此不可能用一片石墨來建造它們。
如果它們是由多個部件組成的，則必須密封，以防止溶化的液體泄漏。在他們的論文中，研究人員證明他們可以通過將石墨片和碳纖維螺栓旋在一起，并用接枝油柔性石墨作為高溫密封劑密封，從而防止任何泄漏。研究人員估計，一個單一的存儲系統(tǒng)可以使一個擁有10萬戶居民的小城市完全由可再生能源供電。Henry強調(diào)該系統(tǒng)的設(shè)計在地理上是無限的，這意味著它可以被放置在任何地方，而不管位置的景觀如何。這與抽水蓄能形成鮮明對比，抽水蓄能是目前最便宜的蓄能方式，它需要能夠容納大瀑布和大壩的位置，以儲存從下落的水中所產(chǎn)生的能量。這在地理上是無限的，而且比抽水水力發(fā)電便宜，這是非常令人興奮，理論上，這是讓可再生能源為整個電網(wǎng)供電的關(guān)鍵。
博科園-科學(xué)科普|研究/來自：麻省理工學(xué)院參考期刊文獻(xiàn) :《Energy & Environmental Science 》
原標(biāo)題：“盒子里的太陽”將為電網(wǎng)儲存可再生能源？
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