麻省理工學院的工程師已經(jīng)提出了一個概念設計

麻省理工學院的工程師已經(jīng)提出了一個概念設計，用于存儲可再生能源的系統(tǒng)，如太陽能和風能，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)。該系統(tǒng)可以設計成為小城市提供動力，不僅在太陽升起或風力很大時，而且是全天候。

新的設計存儲熱量由過量產生電力在白熱化熔融硅的大罐從太陽能或風力發(fā)電，然后從發(fā)光的金屬的光轉換回電力在需要時。研究人員估計，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可再生能源的可行且昂貴的方法。他們還估計，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)模儲能形式。

“即使我們現(xiàn)在想要在可再生能源上運行電網(wǎng)我們也不能，因為你需要化石燃料渦輪機來彌補可再生能源無法按需發(fā)送的事實，”Asegun Henry，Robert說道。 N. Noyce職業(yè)發(fā)展機械工程系副教授。“我們正在開發(fā)一種新技術，如果成功，將解決能源和氣候變化中最重要和最關鍵的問題，即存儲問題。”

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

記錄臨時值

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，在那里光被轉換成熱量，最終變成電能。

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

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

“這項技術已經(jīng)存在了一段時間，但人們一直認為它的成本永遠不會低到足以與天然氣競爭，”亨利說。“所以推動在更高的溫度下運行，因此你可以使用更高效的熱力發(fā)動機并降低成本。”

但是，如果操作人員將鹽加熱到遠遠超過當前溫度，則鹽會腐蝕儲存它的不銹鋼罐。所以亨利的團隊尋找一種除了鹽以外的介質，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，該團隊開發(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”中提到的一項壯舉。自那次開發(fā)以來，該團隊一直在設計一個可以裝入這種高溫泵的儲能系統(tǒng)。

“太陽在一個盒子里”

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系統(tǒng)的概念，他們稱之為TEGS-MPV，用于熱能網(wǎng)格存儲 - 多結光伏發(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)產生的電能轉換成熱能 - 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，以在白天捕獲多余的電力并將其存儲以供以后使用。例如，考慮一下亞利桑那州的一個小鎮(zhèn)，它從太陽能發(fā)電廠獲得部分電力。

“說每個人下班回家，打開他們的空調，太陽正在下降，但它仍然很熱，”亨利說。“那時候，光伏發(fā)電的輸出量不會很大，所以你必須在當天早些時候儲存一些能量，就像太陽正午時一樣。多余的電能可以輸送到儲存室。我們在這里發(fā)明的系統(tǒng)。“

該系統(tǒng)由一個巨大的，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“熱”罐。當來自城鎮(zhèn)太陽能電池的電力進入系統(tǒng)時，這種能量在加熱元件中轉化為熱量。同時，液態(tài)硅被泵出冷水箱，當它通過暴露在加熱元件的管束時進一步加熱，進入熱水箱，現(xiàn)在熱能儲存在更高的溫度約4,300 F。

當需要電力時，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。被稱為多結光伏發(fā)電的專用太陽能電池然后將這種光轉化為電能，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 - 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在佐治亞理工學院創(chuàng)造的，”亨利說。“它基本上是一個極其強烈的光源，它全部都裝在一個可以捕獲熱量的盒子里。”

存儲密鑰

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

亨利說：“內部的東西發(fā)白，但你在外面觸摸的應該是室溫。”

他建議坦克由石墨制成。但有人擔心，在如此高的溫度下，硅會與石墨反應生成碳化硅，這會腐蝕油箱。

為了測試這種可能性，該團隊制造了一個微型石墨罐并用液態(tài)硅填充。當液體在3600°F保持約60分鐘時，確實形成碳化硅，但不是腐蝕罐，而是形成薄的保護性襯里。

“它堅持石墨并形成保護層，防止進一步反應，”亨利說。“所以你可以用石墨制造這個罐子，它不會被硅片腐蝕。”

該小組還找到了解決另一個挑戰(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，單個存儲系統(tǒng)可以使大約100,000個家庭的小城市完全由可再生能源供電。

Henry強調該系統(tǒng)的設計在地理上是無限的，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)電形成對比 - 泵送水力發(fā)電是目前最便宜的能量存儲形式，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，這是實現(xiàn)可再生能源為整個電網(wǎng)供電的關鍵。”