“盒子里的太陽”將幫助電網(wǎng)儲存可再生能源

喬治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系的工程師已經(jīng)提出了一個(gè)概念設(shè)計(jì)，用于存儲可再生能源的系統(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)為不僅可以在太陽升起或風(fēng)很大時(shí)工作，而且可以全天候?yàn)樾〕鞘泄╇姟?

新設(shè)計(jì)將太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的過剩電力儲存在大型白熱化熔融硅罐中，然后在需要時(shí)將發(fā)光金屬的光轉(zhuǎn)換回電能。

研究人員估計(jì)，這種系統(tǒng)比鋰離子電池更便宜，鋰離子電池已被提議作為存儲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)模儲能系統(tǒng)。

“即使我們現(xiàn)在想要在可再生能源的基礎(chǔ)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派遣的事實(shí)，”Asegun Henry說道，他是機(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，即能源存儲的問題?！?

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)。

技術(shù)示意圖概述：其中來自任何來源的電通過焦耳加熱轉(zhuǎn)換成熱量，然后作為顯熱(1900-2400℃)轉(zhuǎn)移到液體存儲介質(zhì)中。使用廉價(jià)的材料，例如冶金級硅(每公斤1.6美元)，可以儲存熱量，同時(shí)具有最小的熱泄漏(每天約1％)。當(dāng)需

要電力時(shí)，液體被泵入一排發(fā)光的管子。然后使用多結(jié)光伏電池將光/熱轉(zhuǎn)換回電能，該電池可以轉(zhuǎn)換可見光和近紅

外光，并在后表面上用鏡子反射不可用的光。(圖片來自：pubs.rsc.org)

記錄溫度

新的儲能系統(tǒng)源于一個(gè)項(xiàng)目，研究人員在該項(xiàng)目中尋找提高可再生能源效率的方法，稱為聚光太陽能。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型鏡子，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。

“該技術(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，你可以比儲存電力更便宜地儲存熱量，”亨利指出。

集中的太陽能設(shè)備將太陽能儲存在裝滿熔鹽的大型儲罐中，該儲存罐被加熱至約1000華氏度(約538攝氏度)的高溫。當(dāng)需要電力時(shí)，熱熔鹽被泵送通過熱交換器，熱交換器將熔鹽的熱量轉(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(yùn)行，你可以使用更高效的熱力發(fā)動機(jī)并降低成本?！?

但是，如果操作人員將鹽加熱到目前的溫度以上，那么鹽會腐蝕儲存它的不銹鋼罐。所以亨利的團(tuán)隊(duì)尋找的是一種鹽以外的介質(zhì)，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)金屬并最終定位在硅上 - 硅是地球上最豐富的金屬，可以承受超過令人難以置信的4000華氏度(約2204攝氏度)的高溫。

去年，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可以承受這種溫度的泵，并且可以像預(yù)想中那樣通過可再生儲能系統(tǒng)泵送液態(tài)硅。該泵具有最高的耐熱性記錄 - 這一壯舉在“吉尼斯世界紀(jì)錄大全”中有所體現(xiàn)。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能系統(tǒng)。

“Sun in a box”

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，他們將其稱為TEGS-MPV，“使用多結(jié)光伏發(fā)電的熱能電網(wǎng)存儲”。他們建議不要使用鏡子和中央塔的區(qū)域來集中熱量，而是建議將任何可再生能源(如陽光或風(fēng))產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能，通過焦耳加熱 - 電流通過加熱元件的過程。

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(gè)小鎮(zhèn)，它從太陽能發(fā)電廠獲得部分電力。

“每個(gè)人下班回家，打開空調(diào)，太陽下山，但它仍然很熱，”亨利說?！澳菚r(shí)，光伏發(fā)電的產(chǎn)量不會很大，所以你必須在當(dāng)天早些時(shí)候儲存一些能量，就像太陽在正午時(shí)一樣。多余的電能可以輸送到儲存室。我們發(fā)明的系統(tǒng)將在這里發(fā)揮作用?！?

該系統(tǒng)將包括一個(gè)由石墨制成并填充液態(tài)硅的大型，高度絕緣，10米寬的儲罐，保持在接近3500華氏度(約1927攝氏度)的“冷”溫度。然后暴露于加熱元件的一排管子將該“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”罐，并在通過暴露于加熱元件的管道時(shí)進(jìn)一步加熱，并進(jìn)入“熱”罐，此時(shí)熱能儲存在約4300華氏度(約2371攝氏度)的更高溫度中。

當(dāng)需要電力時(shí)，比如說，在太陽落山之后，熱的液體硅 - 它是如此灼熱，以至于發(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隨后將這些光能轉(zhuǎn)化為電能，可以供應(yīng)給城鎮(zhèn)的電網(wǎng)。現(xiàn)在冷卻的硅可以被泵送回“冷”罐直到下一輪循環(huán) - 有效地充當(dāng)大型可充電電池。

“人們開始以一個(gè)深情的名字賦予我們的設(shè)計(jì)概念：'一個(gè)盒子里的太陽'，這是我的同事Shannon Yee在喬治亞理工學(xué)院創(chuàng)造的，”亨利說?！八旧鲜且粋€(gè)極其強(qiáng)烈的光源，全部都裝在一個(gè)能夠捕獲熱量的盒子里。”

儲能的鑰匙

亨利表示，該系統(tǒng)需要厚厚的且足夠堅(jiān)固的儲罐，以使內(nèi)部的熔融液體絕緣。

“這些東西在內(nèi)部發(fā)出白熱，但你在外面觸摸感覺到的應(yīng)該是室溫，”亨利說。

他建議儲罐由石墨制成。但有人擔(dān)心，在如此高的溫度下，硅會與石墨反應(yīng)生成碳化硅，這會腐蝕儲罐。

為了測試這種可能性，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 2000℃保持約60分鐘時(shí)，確實(shí)形成碳化硅，但不會腐蝕罐體，而是形成薄的保護(hù)性襯里。

“它加固石墨并形成保護(hù)層，防止進(jìn)一步的反應(yīng)，”亨利說?！八阅憧梢杂檬圃爝@個(gè)罐子，它不會被硅腐蝕?！?

概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明：密封石墨(KYM-20)儲罐含有553級Si，以高于2000℃維持60分鐘。(A)實(shí)驗(yàn)開始之前，(B)實(shí)驗(yàn)

后，(C)和(D)顯示了橫截面。(E)罐壁的SEM背散射圖像，顯示形成了SiC保護(hù)層。(圖片來自：pubs.rsc.org)

該小組還找到了解決另一個(gè)挑戰(zhàn)的方法：由于系統(tǒng)的儲罐必須非常大，因此不可能用一整塊石墨建造它們。如果它們由多個(gè)部件制成，則必須以某種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 - 用作高溫密封劑的柔性石墨密封它們來防止任何泄漏。

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

亨利強(qiáng)調(diào)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在應(yīng)用地區(qū)上是沒有限制的，這意味著它可以位于任何地方，無論位置如何。這與抽水蓄能相反 - 抽水蓄能是目前最便宜的能量儲存形式，需要能夠容納大型瀑布和水壩的位置，以便在水的勢能差中儲存能量?！斑@不受地理?xiàng)l件限制，并且比抽水蓄能電站更便宜，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?！?

論文原文： https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ee/c8ee02341g