“盒子里的太陽”將幫助電網儲存可再生能源

2018-12-12 17:00:00
Elisabeth
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每日太陽能
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摘要:喬治亞理工學院機械工程系的工程師已經提出了一個概念設計,用于存儲可再生能源的系統,如太陽能和風能,并根據需要將能量輸送回電網。該系統可以設計為不僅可以在太陽升起或風很大時工作,而且可以全天候為小城市供電。新設計將太陽能或風能產生的過剩電力儲存在大型白熱化熔融硅罐中,然后在需要時將發光金屬的光轉換回電能。

喬治亞理工學院機械工程系的工程師已經提出了一個概念設計,用于存儲可再生能源的系統,如太陽能和風能,并根據需要將能量輸送回電網。該系統可以設計為不僅可以在太陽升起或風很大時工作,而且可以全天候為小城市供電。

新設計將太陽能或風能產生的過剩電力儲存在大型白熱化熔融硅罐中,然后在需要時將發光金屬的光轉換回電能。

研究人員估計,這種系統比鋰離子電池更便宜,鋰離子電池已被提議作為存儲可再生能源的可行且昂貴的方法。 他們還估計,該系統的成本約為抽水蓄能電池的一半 - 這是迄今為止最便宜的電網規模儲能系統。

“即使我們現在想要在可再生能源的基礎上運行電網,我們也不能,因為你需要化石燃料渦輪機來彌補可再生能源無法按需派遣的事實,”Asegun Henry說道,他是機械工程系副教授。“我們正在開發一種新技術,如果成功,將解決能源和氣候變化中最重要和最關鍵的問題,即能源存儲的問題。”

亨利和他的同事們今天在“能源與環境科學”雜志上發表了他們的設計。



技術示意圖概述:其中來自任何來源的電通過焦耳加熱轉換成熱量,然后作為顯熱(1900-2400℃)轉移到液體存儲介質中。使用廉價的材料,例如冶金級硅(每公斤1.6美元),可以儲存熱量,同時具有最小的熱泄漏(每天約1%)。當需

要電力時,液體被泵入一排發光的管子。然后使用多結光伏電池將光/熱轉換回電能,該電池可以轉換可見光和近紅

外光,并在后表面上用鏡子反射不可用的光。(圖片來自:pubs.rsc.org)

記錄溫度

新的儲能系統源于一個項目,研究人員在該項目中尋找提高可再生能源效率的方法,稱為聚光太陽能。與使用太陽能電池板將光直接轉換為電能的傳統太陽能電廠不同,聚光太陽能需要大面積的巨型鏡子,將太陽光聚集到中央塔上,在那里光被轉換成熱量,最終變成電能。

“該技術很有意思的原因是,一旦你進行了聚焦光線以獲取熱量的過程,你可以比儲存電力更便宜地儲存熱量,”亨利指出。

集中的太陽能設備將太陽能儲存在裝滿熔鹽的大型儲罐中,該儲存罐被加熱至約1000華氏度(約538攝氏度)的高溫。當需要電力時,熱熔鹽被泵送通過熱交換器,熱交換器將熔鹽的熱量轉移到蒸汽中。然后渦輪機將該蒸汽轉化為電能。

“這項技術已經存在了一段時間,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,”亨利說。“所以推動在更高的溫度下運行,你可以使用更高效的熱力發動機并降低成本。”

但是,如果操作人員將鹽加熱到目前的溫度以上,那么鹽會腐蝕儲存它的不銹鋼罐。所以亨利的團隊尋找的是一種鹽以外的介質,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并最終定位在硅上 - 硅是地球上最豐富的金屬,可以承受超過令人難以置信的4000華氏度(約2204攝氏度)的高溫。

去年,該團隊開發出一種可以承受這種溫度的泵,并且可以像預想中那樣通過可再生儲能系統泵送液態硅。該泵具有最高的耐熱性記錄 - 這一壯舉在“吉尼斯世界紀錄大全”中有所體現。自那次開發以來,該團隊一直在設計一個可以裝入這種高溫泵的儲能系統。

“Sun in a box”

現在,研究人員已經概述了他們的新型可再生能源存儲系統的概念,他們將其稱為TEGS-MPV,“使用多結光伏發電的熱能電網存儲”。他們建議不要使用鏡子和中央塔的區域來集中熱量,而是建議將任何可再生能源(如陽光或風)產生的電能轉換成熱能,通過焦耳加熱 - 電流通過加熱元件的過程。

該系統可以與現有的可再生能源系統(例如太陽能電池)配對,以在白天捕獲多余的電力并將其存儲以供以后使用。例如,考慮一下亞利桑那州的一個小鎮,它從太陽能發電廠獲得部分電力。

“每個人下班回家,打開空調,太陽下山,但它仍然很熱,”亨利說。“那時,光伏發電的產量不會很大,所以你必須在當天早些時候儲存一些能量,就像太陽在正午時一樣。多余的電能可以輸送到儲存室。我們發明的系統將在這里發揮作用。“

該系統將包括一個由石墨制成并填充液態硅的大型,高度絕緣,10米寬的儲罐,保持在接近3500華氏度(約1927攝氏度)的“冷”溫度。然后暴露于加熱元件的一排管子將該“冷”罐連接到第二個“熱”罐。當來自城鎮太陽能電池的電力進入系統時,這種能量在加熱元件中轉化為熱量。

同時,液態硅被泵出“冷”罐,并在通過暴露于加熱元件的管道時進一步加熱,并進入“熱”罐,此時熱能儲存在約4300華氏度(約2371攝氏度)的更高溫度中。

當需要電力時,比如說,在太陽落山之后,熱的液體硅 - 它是如此灼熱,以至于發出白光 - 被泵送通過一系列發出光線的管子。

被稱為多結光伏發電的專用太陽能電池隨后將這些光能轉化為電能,可以供應給城鎮的電網。現在冷卻的硅可以被泵送回“冷”罐直到下一輪循環 - 有效地充當大型可充電電池。

“人們開始以一個深情的名字賦予我們的設計概念:'一個盒子里的太陽',這是我的同事Shannon Yee在喬治亞理工學院創造的,”亨利說。“它基本上是一個極其強烈的光源,全部都裝在一個能夠捕獲熱量的盒子里。”

儲能的鑰匙

亨利表示,該系統需要厚厚的且足夠堅固的儲罐,以使內部的熔融液體絕緣。

“這些東西在內部發出白熱,但你在外面觸摸感覺到的應該是室溫,”亨利說。

他建議儲罐由石墨制成。但有人擔心,在如此高的溫度下,硅會與石墨反應生成碳化硅,這會腐蝕儲罐。

為了測試這種可能性,該團隊制造了一個微型石墨罐并用液態硅填充。當液體在 2000℃保持約60分鐘時,確實形成碳化硅,但不會腐蝕罐體,而是形成薄的保護性襯里。

“它加固石墨并形成保護層,防止進一步的反應,”亨利說。“所以你可以用石墨制造這個罐子,它不會被硅腐蝕。”



概念驗證實驗證明:密封石墨(KYM-20)儲罐含有553級Si,以高于2000℃維持60分鐘。(A)實驗開始之前,(B)實驗

后,(C)和(D)顯示了橫截面。(E)罐壁的SEM背散射圖像,顯示形成了SiC保護層。(圖片來自:pubs.rsc.org)

該小組還找到了解決另一個挑戰的方法:由于系統的儲罐必須非常大,因此不可能用一整塊石墨建造它們。如果它們由多個部件制成,則必須以某種方式密封它們以防止熔融液體泄漏。在他們的論文中,研究人員證明,他們可以通過將石墨片與碳纖維螺栓擰在一起并用石墨 - 用作高溫密封劑的柔性石墨密封它們來防止任何泄漏。

研究人員估計,單個此類型的儲能系統就可以使大約100,000個家庭的小城市完全由可再生能源供電。

亨利強調該系統的設計在應用地區上是沒有限制的,這意味著它可以位于任何地方,無論位置如何。這與抽水蓄能相反 - 抽水蓄能是目前最便宜的能量儲存形式,需要能夠容納大型瀑布和水壩的位置,以便在水的勢能差中儲存能量。“這不受地理條件限制,并且比抽水蓄能電站更便宜,這非常令人興奮,”亨利說。“從理論上講,這是實現可再生能源為整個電網供電的關鍵。”

論文原文: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ee/c8ee02341g


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