美國麻省理工學(xué)院的工程師們提出了一個概念性的設(shè)計方案，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)計不僅可以在太陽能、風(fēng)能充足時為小城市供電，而且可以實現(xiàn)晝夜供電。這項研究設(shè)計被發(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，然后在需要時將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
研究人員估計，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)來運行電網(wǎng)，我們也做不到。因為你需要用化石燃料渦輪機來彌補可再生能源不能按需分配這一事實。”機械工程系副教授阿森格·亨利表示。“我們正在開發(fā)一項新技術(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
這個新的儲能系統(tǒng)源于一個項目，在該項目中，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，是因為一旦你進(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，熱鹽通過熱交換器把熱量傳遞到蒸汽中，然后渦輪機把蒸汽變成電力。亨利說：“這種技術(shù)已經(jīng)存在了一段時間，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)錄中提到的一項壯舉。自那次開發(fā)以來，該團(tuán)隊一直在設(shè)計一個儲能系統(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)。這時光伏發(fā)電將不會有太多的輸出，這時儲存的能量就派上用場了。”這個系統(tǒng)由一個石墨制成的、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“冷水箱”連接到另一個“熱水箱”。當(dāng)城市太陽能產(chǎn)生的電進(jìn)入這個系統(tǒng)時，這些能量被轉(zhuǎn)換成加熱元件的熱量。同時，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，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，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)一個大型的可充電電池。
亨利說：“人們開始稱我們的設(shè)計為‘盒子里的太陽’。這是一個很形象的說法，它基本上就是一個非常強烈的光源，把所有的光源都裝在一個盒子里，這個盒子可以收集熱量。
