一種用于存儲太陽能和風(fēng)能等可再生能源概念設(shè)計(jì)

在現(xiàn)在的生活中，太陽能產(chǎn)品處處可見，人們用太陽能煮飯，還有太陽能熱水器等等，無處不見太陽能產(chǎn)品，當(dāng)然，最重要的還是太陽能發(fā)電，但是目前的技術(shù)并不能讓人們很好利用太陽能發(fā)電。而且太陽能的儲存也是以達(dá)難題，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)。

某太陽能電池

該系統(tǒng)不僅可以在太陽升起或風(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(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存可再生能源的方法。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儲能形式。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：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(shí)，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(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。圖片：Duncan MacGruer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(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(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(duì)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(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(gè)小鎮(zhèn)為例，這個(gè)小鎮(zhèn)的部分電力來自太陽能發(fā)電廠。假設(shè)每個(gè)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(gè)時(shí)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(shí)候的能量，比如太陽在中午的時(shí)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(gè)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(gè)冷水箱與另一個(gè)“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(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)它通過暴露在加熱元件下的一排管子時(shí)，會進(jìn)一步升溫，然后進(jìn)入熱罐中，此時(shí)的熱能儲存溫度要高得多，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(gè)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(gè)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(qiáng)烈的光源，被裝在一個(gè)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(jiān)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(gè)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(shí)，碳化硅確實(shí)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(gè)容器，它不會被硅腐蝕。

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(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)單一的存儲系統(tǒng)可以使一個(gè)擁有10萬戶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(gè)電網(wǎng)供電的關(guān)鍵。太陽能雖然可以產(chǎn)生很大能量，但是現(xiàn)在的技術(shù)還不足以保證人類所有的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要我們保護(hù)能源，從自己做起，從身邊的點(diǎn)滴做起，節(jié)約能源，是我們?nèi)祟惷恳粋€(gè)人應(yīng)盡的責(zé)任。