麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)提出了一個概念設(shè)計，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)計成為小城市提供動力，不僅在太陽升起或風(fēng)力很大時，而且是全天候。

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

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(zhuǎn)換為電能的傳統(tǒng)太陽能電廠不同，聚光太陽能需要大量的巨大鏡子，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(zhuǎn)移到蒸汽中。然后渦輪機將該蒸汽轉(zhuǎn)化為電能。

“這項技術(shù)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(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“吉尼斯世界紀錄大全”中提到的一項壯舉。自那次開發(fā)以來，該團隊一直在設(shè)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(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 - 電流通過加熱的過程元件。

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(diào)，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(zhuǎn)化為熱量。同時，液態(tài)硅從冷罐中抽出，并在通過暴露于加熱元件的管束時進一步加熱，并進入熱罐，此時熱能現(xiàn)在儲存在約4,300的更高溫度下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，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然后將該光轉(zhuǎn)化為電能，可以將其提供給城鎮(zhèn)的電網(wǎng)。現(xiàn)在冷卻的硅可以被泵送回冷水箱，直到下一輪存儲 - 有效地充當大型可充電電池。

“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(xué)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(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，硅會與石墨反應(yīng)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(yīng)，”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，它們可以通過將石墨片與碳纖維螺栓一起擰緊并用石墨 - 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，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(diào)該系統(tǒng)的設(shè)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。這與抽水蓄電相反 - 目前是最便宜的能源儲存形式，需要能夠容納大型瀑布和水壩的位置，以便從落水中儲存能量。

“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(guān)鍵。”