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新型储能系统:成本是抽水蓄能电站一半

美国麻省理工学院的工程师们提出了一个概念性的设计方案,用于储存可再生能源,如太阳能和风能,并根据需要将能源送回电网。该新型设计不仅可以在太阳能、风能充足时为小城市供电,而且可以实现昼夜供电。这项研究设计被发表在《能源和环境科学》杂志上。

新系统成本是抽水蓄能电站一半

现在主流的储能方式是锂离子电池和抽水蓄能电站。锂离子电池已经被认为是一种可行但昂贵的储存可再生能源的方法。抽水蓄能电站则是迄今为止最便宜的电网规模蓄能方式。

麻省理工学院的研究者开发的新型储能方式为:将太阳能或风能产生的多余电力以热能的形式储存在白热熔融硅容器中,然后在需要时将热能转换成电能。

研究人员估计,这种系统比锂离子电池要便宜得多,成本大约是抽水蓄能电站的一半。

“即使我们现在想以纯粹的可再生能源为基础来运行电网,我们也做不到。因为你需要用化石燃料涡轮机来弥补可再生能源不能按需分配这一事实。”机械工程系副教授阿森格·亨利表示。“我们正在开发一项新技术,如果成功,将解决能源和气候变化中最重要、最关键的问题,即能源储存问题。”

硅元素发挥关键作用

这个新的储能系统源于一个项目,在该项目中,研究人员寻找提高集中式太阳能热发电效率的方式。与传统太阳能发电厂使用太阳能电池板将光转换为电能不同,集中式太阳能热发电需要大面积的巨型反射镜,这些反射镜将阳光集中到中央塔上。在那里,光被转化为热,最终转化为电能。

“技术之所以有趣,是因为一旦你进入了这种以聚焦光来获得能量的过程,相对于储存电力,你储存热量将会便宜得 多。”亨利说。

集中式太阳能热发电厂把太阳能储存在装满熔融盐的大罐子里,然后加热到1000华氏度左右的高温,当需要电时,热盐通过热交换器把热量传递到蒸汽中,然后涡轮机把蒸汽变成电力。亨利说:“这种技术已经存在了一段时间,但人们一直认为其成本不会低到足以与天然气相竞争。

因此,如果找到在更高温度下操作的方法,就需要使用更有效的热机并降低成本。”然而,如果操作人员将盐加热到极高温度,那么盐会腐蚀储存其的不锈钢罐。

亨利的研究小组寻找到了一种除了盐之外的介质,这种介质可以在更高的温度下储存热量。研究人员最初试验了液态金属,并最终锁定了硅——这种地壳中含量最多的元素,可以承受超过4000华氏度的高温。

2017年,研究小组开发了一种可以承受高温的泵,而且可以通过可再生储存系 统来输送液态硅,这是吉尼斯世界纪录中提到的一项壮举。自那次开发以来,该团队一直在设计一个储能系统,可以集成这样一种高温泵。

3500~4300华氏度的循环之旅

现在,研究人员已经找到了一种新的可再生能源储存系统的概念,将其称之为TEGS-MJP,与传统凹面镜或中央塔来集热的方式不同,他们直接把可再生能源产生的电力 (如太阳能和风能)转化为热能——电流通过加热元件的过程。

该系统可以与现有的可再生能源系统配套,以捕获白天多余的电力,并将其储存起来供日后使用。亨利说:“假设每个人下班回家,虽然太阳就要落山了,但还是很热,于是需要打开空调。这时光伏发电将不会有太多的输出,这时储存的能量就派上用场了。”这个系统由一个石墨制成的、高大的、高度绝缘的、充满液态硅的水箱组成,

水箱宽度为10米,最低温度几乎达到3500华氏度。暴露在加热元件中的一排管子将这个“冷水箱”连接到另一个“热水箱”。当城市太阳能产生的电进入这个系统时,这些能量被转换成加热元件的热量。同时,液态硅被泵出冷罐,当通过暴露在加热元件下的排管时,进一步加热然后进入热罐。在那里,热能被储存在大约4300华氏度的高温下。

当需要电力时,炽热的液态硅被泵入罐子中,专门的太阳能电池(多结光伏)将其能源转换为电能输送到电网中。冷却下来的硅可以被泵回冷水箱,直到下一轮存储——从而有效地充当一个大型的可充电电池。

亨利说:“人们开始称我们的设计为‘盒子里的太阳’。这是一个很形象的说法,它基本上就是一个非常强烈的光源,把所有的光源都装在一个盒子里,这个盒子可以收集热量。

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