新型儲(chǔ)能技術(shù)!“盒子里的太陽(yáng)”將為電網(wǎng)儲(chǔ)存可再生能源?
麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們提出了一種概念設(shè)計(jì),用于存儲(chǔ)太陽(yáng)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(yáng)升起或風(fēng)大的時(shí)候?yàn)橐粋€(gè)小城市供電,而且可以全天候供電。新設(shè)計(jì)將太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生的多余電能儲(chǔ)存在裝有白熱熔融硅的大容器中,然后在需要時(shí)將發(fā)光金屬發(fā)出的光轉(zhuǎn)換回電能。研究人員估計(jì),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(chǔ)存可再生能源的方法。
博科園-科學(xué)科普:估計(jì)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(jí)儲(chǔ)能形式。機(jī)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(shuō):即使我們現(xiàn)在想在可再生能源上運(yùn)行電網(wǎng),我們也做不到,因?yàn)槟阈枰剂蠝u輪機(jī)來(lái)彌補(bǔ)不能按需分配可再生能源供應(yīng)的事實(shí)。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(jì)。
記錄溫度
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)目中尋找提高一種可再生能源的效率方法,這種可再生能源被稱(chēng)為集中太陽(yáng)能。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)使用太陽(yáng)能電池板將光直接轉(zhuǎn)化為電能不同,集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)需要大面積的巨型鏡子,將陽(yáng)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(duì)光進(jìn)行聚焦來(lái)獲取熱量,你就可以以比儲(chǔ)存電力便宜得多的成本儲(chǔ)存熱量。集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)把太陽(yáng)能儲(chǔ)存在裝滿(mǎn)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(shí),熱鹽通過(guò)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(jī)將蒸汽轉(zhuǎn)化為電能,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在一段時(shí)間了。
麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一個(gè)可再生存儲(chǔ)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(chǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能,儲(chǔ)存在高度絕緣的容器中。圖片:Duncan MacGruer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)因此有一種動(dòng)力要求在更高的溫度下運(yùn)行,這樣你就可以使用更高效的熱機(jī),從而降低成本。然而,如果操作者將鹽加熱到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前溫度,鹽會(huì)腐蝕儲(chǔ)存鹽的不銹鋼罐。所以亨利的團(tuán)隊(duì)尋找一種除了鹽以外的介質(zhì),它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,最終選定了硅——地球上儲(chǔ)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(duì)開(kāi)發(fā)了一種能夠承受如此酷熱的泵,可以通過(guò)可再生存儲(chǔ)系統(tǒng)泵送液態(tài)硅。該泵具有有史以來(lái)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(shí)起,該團(tuán)隊(duì)就一直在設(shè)計(jì)一種能與這種高溫泵相結(jié)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
"盒子里的太陽(yáng)"
現(xiàn)在研究人員概述了一種新的可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念,他們稱(chēng)之為T(mén)EGS-MPV,用于熱能網(wǎng)格存儲(chǔ)-多結(jié)光伏。他們建議將任何可再生能源(如陽(yáng)光或風(fēng)能)產(chǎn)生的電能,通過(guò)焦耳加熱(一種電流通過(guò)加熱元件的過(guò)程)轉(zhuǎn)化為熱能,而不是使用鏡子和中心塔來(lái)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(yáng)能電池)配套使用,以便在白天捕獲多余的電力,并儲(chǔ)存起來(lái)供以后使用。以亞利桑那州的一個(gè)小鎮(zhèn)為例,這個(gè)小鎮(zhèn)的部分電力來(lái)自太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)。假設(shè)每個(gè)人下班回家,打開(kāi)空調(diào),太陽(yáng)正在下山,但天還是熱的,到那個(gè)時(shí)候,光伏發(fā)電將不會(huì)有太多的輸出,所以你必須儲(chǔ)存一些白天早些時(shí)候的能量,比如太陽(yáng)在中午的時(shí)候。
多余的電力可以被輸送到我們?cè)谶@里發(fā)明的存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將由一個(gè)由石墨制成的10米寬、高度絕緣的大水箱組成,里面裝滿(mǎn)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(gè)冷水箱與另一個(gè)“熱”水箱連接起來(lái)。當(dāng)來(lái)自城鎮(zhèn)太陽(yáng)能電池的電力進(jìn)入系統(tǒng)時(shí),這些能量轉(zhuǎn)化為加熱元件中的熱量。與此同時(shí),液態(tài)硅從冷罐中被泵出,當(dāng)它通過(guò)暴露在加熱元件下的一排管子時(shí),會(huì)進(jìn)一步升溫,然后進(jìn)入熱罐中,此時(shí)的熱能儲(chǔ)存溫度要高得多,約為4300華氏度。
當(dāng)需要電的時(shí)候,比如太陽(yáng)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(yáng)能電池被稱(chēng)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(chǔ)存——有效地作為一個(gè)大的可充電電池。人們開(kāi)始親切地稱(chēng)呼我們的概念,其中一個(gè)名字是‘盒子里的太陽(yáng)’,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(qiáng)烈的光源,被裝在一個(gè)盒子里,用來(lái)吸收熱量。
一種存儲(chǔ)鑰匙
該系統(tǒng)需要足夠厚和堅(jiān)固的容器來(lái)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(huì)與石墨發(fā)生反應(yīng),生成碳化硅,從而腐蝕水箱。為了測(cè)試這種可能性,研究小組制作了一個(gè)微型石墨罐,并在里面裝滿(mǎn)了液態(tài)硅。當(dāng)這種液體在3600華氏度下保持約60分鐘時(shí),碳化硅確實(shí)形成了,但它沒(méi)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(gè)容器,它不會(huì)被硅腐蝕。該小組還找到了一種解決另一個(gè)挑戰(zhàn)的方法:由于該系統(tǒng)的儲(chǔ)罐必須非常大,因此不可能用一片石墨來(lái)建造它們。
如果它們是由多個(gè)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(guò)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(jì),一個(gè)單一的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以使一個(gè)擁有10萬(wàn)戶(hù)居民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(wú)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(duì)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?xún)?chǔ)存從下落的水中所產(chǎn)生的能量。這在地理上是無(wú)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(gè)電網(wǎng)供電的關(guān)鍵。
責(zé)任編輯:繼電保護(hù)
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