「盒子里的太陽」將為電網儲存可再生能源！

麻省理工學院(MIT)的工程師們提出了一種概念設計，用於存儲太陽能和風能等可再生能源，並根據需要將這些能源輸送回電網。該系統不僅可以在太陽升起或風大的時候為一個小城市供電，而且可以全天候供電。新設計將太陽能或風能產生的多餘電能儲存在裝有白熱熔融硅的大容器中，然後在需要時將發光金屬發出的光轉換回電能。研究人員估計，這種系統將比鋰離子電池便宜得多。鋰離子電池被認為是一種可行但昂貴的儲存可再生能源的方法。

博科園-科學科普：估計該系統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。機械工程系羅伯特·n·諾伊斯(Robert N. Noyce)職業發展副教授阿塞貢·亨利(Asegun Henry)說：即使我們現在想在可再生能源上運行電網，我們也做不到，因為你需要化石燃料渦輪機來彌補不能按需分配可再生能源供應的事實。亨利和他的同事於2018年12月6日在《能源與環境科學》上發表了他們的設計。

記錄溫度

新的存儲系統源於一個項目，研究人員在這個項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。與傳統的太陽能發電廠使用太陽能電池板將光直接轉化為電能不同，集中式太陽能發電廠需要大面積的巨型鏡子，將陽光集中到中心塔上，在那裡，光被轉化為熱能，最終轉化為電能。技術有趣的原因是，一旦你對光進行聚焦來獲取熱量，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。當需要電時，熱鹽通過熱交換器被泵入，熱交換器將鹽的熱量轉化為蒸汽。然後渦輪機將蒸汽轉化為電能，這項技術已經存在一段時間了。

麻省理工學院的研究人員提出了一個可再生存儲系統的概念，如圖所示，該系統以白熱液態硅的形式存儲太陽能和風能，儲存在高度絕緣的容器中。圖片：Duncan MacGruer

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因此有一種動力要求在更高的溫度下運行，這樣你就可以使用更高效的熱機，從而降低成本。然而，如果操作者將鹽加熱到遠遠超過當前溫度，鹽會腐蝕儲存鹽的不鏽鋼罐。所以亨利的團隊尋找一種除了鹽以外的介質，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4000華氏度的高溫。去年該團隊開發了一種能夠承受如此酷熱的泵，可以通過可再生存儲系統泵送液態硅。該泵具有有史以來最高的耐熱性，這一壯舉在《吉尼斯世界紀錄大全》中有記載。從那時起，該團隊就一直在設計一種能與這種高溫泵相結合的儲能系統。

"盒子里的太陽"

現在研究人員概述了一種新的可再生能源存儲系統的概念，他們稱之為TEGS-MPV，用於熱能網格存儲-多結光伏。他們建議將任何可再生能源(如陽光或風能)產生的電能，通過焦耳加熱(一種電流通過加熱元件的過程)轉化為熱能，而不是使用鏡子和中心塔來集中熱量。該系統可以與現有的可再生能源系統(如太陽能電池)配套使用，以便在白天捕獲多餘的電力，並儲存起來供以後使用。以亞利桑那州的一個小鎮為例，這個小鎮的部分電力來自太陽能發電廠。假設每個人下班回家，打開空調，太陽正在下山，但天還是熱的，到那個時候，光伏發電將不會有太多的輸出，所以你必須儲存一些白天早些時候的能量，比如太陽在中午的時候。

多餘的電力可以被輸送到我們在這裡發明的存儲系統。該系統將由一個由石墨製成的10米寬、高度絕緣的大水箱組成，裡面裝滿液態硅，保持在近3500華氏度的「低溫」。一排管子暴露在加熱元件下，然後將這個冷水箱與另一個「熱」水箱連接起來。當來自城鎮太陽能電池的電力進入系統時，這些能量轉化為加熱元件中的熱量。與此同時，液態硅從冷罐中被泵出，當它通過暴露在加熱元件下的一排管子時，會進一步升溫，然後進入熱罐中，此時的熱能儲存溫度要高得多，約為4300華氏度。

當需要電的時候，比如太陽落山後，熾熱的硅液——熱得發白——被泵入一排發射這種光的管中。這種特殊的太陽能電池被稱為多結光伏電池，然後將這些光轉化為電能，可以提供給城鎮的電網。現在已經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，其中一個名字是『盒子里的太陽』，它是在喬治亞理工學院的同事香農·易(Shannon Yee)發明的。基本上，它是一種非常強烈的光源，被裝在一個盒子里，用來吸收熱量。

一種存儲鑰匙

該系統需要足夠厚和堅固的容器來隔離內部的熔融液體。這種材料的內部熱得發白，但你接觸到的外部應該是室溫。建議這些罐子是用石墨做的，但也有人擔心，在如此高的溫度下，硅會與石墨發生反應，生成碳化硅，從而腐蝕水箱。為了測試這種可能性，研究小組製作了一個微型石墨罐，並在裡面裝滿了液態硅。當這種液體在3600華氏度下保持約60分鐘時，碳化硅確實形成了，但它沒有腐蝕容器，而是形成了一層薄薄的保護層。它粘附在石墨上，形成一層保護層，防止進一步的反應，所以可以用石墨建造這個容器，它不會被硅腐蝕。該小組還找到了一種解決另一個挑戰的方法:由於該系統的儲罐必須非常大，因此不可能用一片石墨來建造它們。

如果它們是由多個部件組成的，則必須密封，以防止熔化的液體泄漏。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，並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，一個單一的存儲系統可以使一個擁有10萬戶居民的小城市完全由可再生能源供電。Henry強調該系統的設計在地理上是無限的，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生的能量。這在地理上是無限的，而且比抽水水力發電便宜，這是非常令人興奮，理論上，這是讓可再生能源為整個電網供電的關鍵。

博科園-科學科普｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊文獻 :《Energy & Environmental Science 》

DOI: 10.1039/C8EE02341G

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