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太阳能在一个盒子里将为电网储存可再生能源

发布时间:2018-12-06 16:18:01

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麻省理工学院的工程师已经提出了一个概念设计,用于存储可再生能源的系统,如太阳能和风能,并根据需要将能量输送回电网。该系统可以设计为不仅在太阳升起或风很高时,而且在全天候为小城市供电。

新设计将太阳能或风能产生的过剩电力储存在大型白热熔融硅罐中,然后在需要时将发光金属的光转换回电能。研究人员估计,这种系统比锂离子电池更便宜,锂离子电池已被提议作为存储可再生能源的可行且昂贵的方法。他们还估计,该系统的成本约为抽水蓄能电池的一半 - 这是迄今为止最便宜的电网规模储能。

“即使我们现在想要在可再生能源上运行电网,我们也不能,因为你需要化石燃料涡轮机来弥补可再生能源无法按需派遣的事实,”Asegun Henry,Robert说道。 N. Noyce职业发展机械工程系副教授。 “我们正在开发一种新技术,如果成功,将解决能源和气候变化中最重要和最关键的问题,即存储问题。”

亨利和他的同事们今天在“能源与环境科学”杂志上发表了他们的设计。

记录临时数

新的存储系统源于一个项目,研究人员在这个项目中寻找提高可再生能源效率的方法,称为集中太阳能。与使用太阳能电池板将光直接转换为电能的传统太阳能电厂不同,聚光太阳能需要大面积的巨大镜子,将太阳光聚集到中央塔上,在那里光被转换成热量,最终变成电能。

“技术很有意思的原因是,一旦你进行了聚焦光线以获取热量的过程,你可以比储存电力更便宜地储存热量,”亨利指出。

集中的太阳能设备将太阳能储存在装满熔盐的大型储罐中,该储存罐被加热至约1000华氏度的高温。当需要电力时,热盐被泵送通过热交换器,热交换器将盐的热量转移到蒸汽中。然后涡轮机将该蒸汽转化为电能。

“这项技术已经存在了一段时间,但人们一直认为它的成本永远不会低到足以与天然气竞争,”亨利说。 “所以推动在更高的温度下运行,因此你可以使用更高效的热力发动机并降低成本。”

但是,如果操作人员将盐加热到目前的温度以上,那么盐会腐蚀储存它的不锈钢罐。所以亨利的团队寻找的是一种盐以外的介质,可以在更高的温度下储存热量。他们最初提出了一种液态金属并最终沉积在硅上 - 硅是地球上最丰富的金属,可以承受超过4,000华氏度的令人难以置信的高温。

去年,该团队开发出一种可以承受这种起泡热量的泵,并且可以想象地通过可再生存储系统泵送液态硅。这款泵具有最高的耐热性,这是“The Guiness Book of World Records”中提到的一项壮举。自那次开发以来,该团队一直在设计一个可以装入这种高温泵的储能系统。

“太阳在一个盒子里”

现在,研究人员已经概述了他们的新型可再生能源存储系统的概念,他们称之为TEGS-MPV,用于热能网格存储 - 多结光伏。他们建议不要使用镜子和中央塔的区域来集中热量,而是通过焦耳加热将任何可再生能源(如阳光或风)产生的电能转换成热能 - 电流通过加热元件。

该系统可以与现有的可再生能源系统(例如太阳能电池)配对,以在白天捕获多余的电力并将其存储以供以后使用。例如,考虑一下亚利桑那州的一个小镇,它从太阳能发电厂获得部分电力。

“说每个人下班回家,打开空调,太阳下山,但它仍然很热,”亨利说。 “那时,光伏发电的产量不会很大,所以你必须在当天早些时候储存一些能量,就像太阳正午时一样。多余的电能可以输送到储存室。我们在这里发明的系统。“

该系统将包括一个由石墨制成并填充液态硅的大型,高度绝缘,10米宽的储罐,保持在接近3,500华氏度的“冷”温度。暴露于加热元件的一排管子然后将该冷罐连接到第二个“热”罐。当来自城镇太阳能电池的电力进入系统时,这种能量在加热元件中转化为热量。同时,液态硅被泵出冷水箱,并在通过暴露于加热元件的管束时进一步加热,并进入热水箱,此时热能现在储存在约4,300的更高温度F。

当需要电力时,比如说,在太阳落山后,热的液体硅 - 如此热,以至于发出白光 - 被泵送通过一系列发出光线的管子。被称为多结光伏发电的专用太阳能电池然后将该光转化为电能,可以供应给城镇的电网。现在冷却的硅可以被泵送回冷水箱,直到下一轮存储 - 有效地作为大型可充电电池。

“人们开始称之为我们的概念的一个深情的名字是'太阳在一个盒子里',这是我的同事Shannon Yee在乔治亚理工学院创造的,”亨利说。 “它基本上是一个极其强烈的光源,全部都装在一个能够捕获热量的盒子里。”

存储密钥

亨利表示,该系统需要厚厚且足够坚固的储罐,以使内部的熔融液体绝缘。

“这些东西在内部发出白热,但你在外面触摸的应该是室温,”亨利说。

他建议坦克由石墨制成。但有人担心,在如此高的温度下,硅会与石墨反应生成碳化硅,这会腐蚀油箱。

为了测试这种可能性,该团队制造了一个微型石墨罐并用液态硅填充。当液体在3600°F保持约60分钟时,确实形成碳化硅,但不是腐蚀罐,而是形成薄的保护性衬里。

“它坚持石墨并形成保护层,防止进一步的反应,”亨利说。 “所以你可以用石墨制造这个罐子,它不会被硅片腐蚀。”

该小组还找到了解决另一个挑战的方法:由于系统的坦克必须非常大,因此不可能用一块石墨建造它们。如果它们由多个部件制成,则必须以这样的方式密封它们以防止熔融液体泄漏。在他们的论文中,研究人员证明,他们可以通过将石墨片与碳纤维螺栓一起拧紧并用可以作为高温密封剂的grafoil-flexible石墨密封它们来防止任何泄漏。

研究人员估计,单个存储系统可以使大约100,000个家庭的小城市完全由可再生能源供电。

Henry强调该系统的设计在地理上是无限的,这意味着它可以位于任何地方,无论位置如何。这与泵送水电相反 - 目前是最便宜的能量存储形式,其需要能够容纳大型瀑布和水坝的位置,以便从落水中存储能量。

“这在地理上是无限的,并且比抽水电站便宜,这非常令人兴奋,”亨利说。 “从理论上讲,这是实现可再生能源为整个电网供电的关键。”

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