新型儲能系統(tǒng)：把太陽能裝進(jìn)盒子里

美國麻省理工學(xué)院的工程師們提出了一個(gè)概念性的設(shè)計(jì)方案，用于儲存可再生能源，如太陽能和風(fēng)能，并根據(jù)需要將能源送回電網(wǎng)。該新型設(shè)計(jì)不僅可以在太陽能、風(fēng)能充足時(shí)為小城市供電，而且可以實(shí)現(xiàn)晝夜供電。這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)被發(fā)表在《能源和環(huán)境科學(xué)》雜志上。

新系統(tǒng)成本是抽水蓄能電站一半

現(xiàn)在主流的儲能方式是鋰離子電池和抽水蓄能電站。鋰離子電池已經(jīng)被認(rèn)為是一種可行但昂貴的儲存可再生能源的方法。抽水蓄能電站則是迄今為止最便宜的電網(wǎng)規(guī)模蓄能方式。

麻省理工學(xué)院的研究者開發(fā)的新型儲能方式為：將太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的多余電力以熱能的形式儲存在白熱熔融硅容器中，然后在需要時(shí)將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

研究人員估計(jì)，這種系統(tǒng)比鋰離子電池要便宜得多，成本大約是抽水蓄能電站的一半。

“即使我們現(xiàn)在想以純粹的可再生能源為基礎(chǔ)來運(yùn)行電網(wǎng)，我們也做不到。因?yàn)槟阈枰没剂蠝u輪機(jī)來彌補(bǔ)可再生能源不能按需分配這一事實(shí)。”機(jī)械工程系副教授阿森格·亨利表示。“我們正在開發(fā)一項(xiàng)新技術(shù)，如果成功，將解決能源和氣候變化中最重要、最關(guān)鍵的問題，即能源儲存問題。”

硅元素發(fā)揮關(guān)鍵作用

這個(gè)新的儲能系統(tǒng)源于一個(gè)項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，研究人員尋找提高集中式太陽能熱發(fā)電效率的方式。與傳統(tǒng)太陽能發(fā)電廠使用太陽能電池板將光轉(zhuǎn)換為電能不同，集中式太陽能熱發(fā)電需要大面積的巨型反射鏡，這些反射鏡將陽光集中到中央塔上。在那里，光被轉(zhuǎn)化為熱，最終轉(zhuǎn)化為電能。

“技術(shù)之所以有趣，是因?yàn)橐坏┠氵M(jìn)入了這種以聚焦光來獲得能量的過程，相對于儲存電力，你儲存熱量將會便宜得多。”亨利說。

集中式太陽能熱發(fā)電廠把太陽能儲存在裝滿熔融鹽的大罐子里，然后加熱到1000華氏度左右的高溫，當(dāng)需要電時(shí)，熱鹽通過熱交換器把熱量傳遞到蒸汽中，然后渦輪機(jī)把蒸汽變成電力。亨利說：“這種技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但人們一直認(rèn)為其成本不會低到足以與天然氣相競爭。

因此，如果找到在更高溫度下操作的方法，就需要使用更有效的熱機(jī)并降低成本。”然而，如果操作人員將鹽加熱到極高溫度，那么鹽會腐蝕儲存其的不銹鋼罐。

亨利的研究小組尋找到了一種除了鹽之外的介質(zhì)，這種介質(zhì)可以在更高的溫度下儲存熱量。研究人員最初試驗(yàn)了液態(tài)金屬，并最終鎖定了硅——這種地殼中含量最多的元素，可以承受超過4000華氏度的高溫。

2017年，研究小組開發(fā)了一種可以承受高溫的泵，而且可以通過可再生儲存系統(tǒng)來輸送液態(tài)硅，這是吉尼斯世界紀(jì)錄中提到的一項(xiàng)壯舉。自那次開發(fā)以來，該團(tuán)隊(duì)一直在設(shè)計(jì)一個(gè)儲能系統(tǒng)，可以集成這樣一種高溫泵。

3500~4300華氏度的循環(huán)之旅

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)找到了一種新的可再生能源儲存系統(tǒng)的概念，將其稱之為TEGS-MJP，與傳統(tǒng)凹面鏡或中央塔來集熱的方式不同，他們直接把可再生能源產(chǎn)生的電力(如太陽能和風(fēng)能)轉(zhuǎn)化為熱能——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)配套，以捕獲白天多余的電力，并將其儲存起來供日后使用。亨利說：“假設(shè)每個(gè)人下班回家，雖然太陽就要落山了，但還是很熱，于是需要打開空調(diào)。這時(shí)光伏發(fā)電將不會有太多的輸出，這時(shí)儲存的能量就派上用場了。”這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)石墨制成的、高大的、高度絕緣的、充滿液態(tài)硅的水箱組成，

水箱寬度為10米，最低溫度幾乎達(dá)到3500華氏度。暴露在加熱元件中的一排管子將這個(gè)“冷水箱”連接到另一個(gè)“熱水箱”。當(dāng)城市太陽能產(chǎn)生的電進(jìn)入這個(gè)系統(tǒng)時(shí)，這些能量被轉(zhuǎn)換成加熱元件的熱量。同時(shí)，液態(tài)硅被泵出冷罐，當(dāng)通過暴露在加熱元件下的排管時(shí)，進(jìn)一步加熱然后進(jìn)入熱罐。在那里，熱能被儲存在大約4300華氏度的高溫下。

當(dāng)需要電力時(shí)，熾熱的液態(tài)硅被泵入罐子中，專門的太陽能電池(多結(jié)光伏)將其能源轉(zhuǎn)換為電能輸送到電網(wǎng)中。冷卻下來的硅可以被泵回冷水箱，直到下一輪存儲——從而有效地充當(dāng)一個(gè)大型的可充電電池。

亨利說：“人們開始稱我們的設(shè)計(jì)為‘盒子里的太陽’。這是一個(gè)很形象的說法，它基本上就是一個(gè)非常強(qiáng)烈的光源，把所有的光源都裝在一個(gè)盒子里，這個(gè)盒子可以收集熱量。”