“太阳在盒子里”将为电网储存可再生能源

麻省理工学院的工程师提出了一个储存可再生能源(如太阳能和风能)的系统的概念设计，并在需要时将这些能源输送回电网。该系统不仅可以在日出或大风时为小城市供电，而且可以全天候供电。

在新的设计中，太阳能或风能产生的剩余电力储存在一个巨大的白色热熔硅罐中，然后在需要时将发光金属的光转换回电能。研究人员估计，这种系统比锂离子电池更便宜，锂离子电池被认为是一种可行而昂贵的储存可再生能源的方法。他们还估计，该系统的成本大约是抽水蓄能电池的一半，抽水蓄能电池是迄今为止最便宜的电网规模的储能设备。

“即使我们现在想用可再生能源运行电网，我们也不能，因为你需要化石燃料涡轮机来弥补可再生能源不能按需调度的事实，”罗伯特阿塞贡亨利说。诺伊斯，机械工程系职业发展副教授。“我们正在开发一种新技术，如果成功，将解决能源和气候变化中最重要和最关键的问题，即储存问题。”

亨利和他的同事在今天的《能源和环境科学》杂志上发表了他们的设计。

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新的存储系统来自一个项目，在这个项目中，研究人员正在寻找提高可再生能源效率的方法，这种能源被称为集中太阳能。与传统的利用太阳能电池板直接将光线转化为电能的太阳能发电厂不同，聚光太阳能需要一面大面积的巨型镜子将太阳光集中到中央的塔上，光线在这里转化为热量，最终转化为电能。

亨利指出：“技术之所以有趣，是因为一旦你有了聚焦光线获得热量的过程，你就可以比电更便宜地储存热量。”

集中式太阳能设备将太阳能储存在一个装满熔盐的大储罐中，熔盐被加热到大约1000华氏度的高温。当需要电力时，热盐被泵送通过热交换器，热交换器将盐的热量转化为蒸汽。然后涡轮机将蒸汽转化为电能。

“这项技术已经存在了一段时间，但人们总是认为它的成本永远不会低到足以与天然气竞争，”亨利说。“因此，推动在更高的温度下运行，这样就可以使用更高效的热机，并降低成本。”

然而，如果操作者将盐加热到当前温度以上，盐将腐蚀储存它的不锈钢罐。因此，亨利的团队正在寻找一种除盐以外的介质，可以在更高的温度下储存热量。他们最初提出了一种液态金属，并最终将其沉积在硅上——这是地球上最丰富的金属，可以承受超过4000华氏度的难以置信的高温。

去年，该团队开发了一种能够承受这种泡沫热的泵，可以想象通过可再生存储系统泵送液态硅。这种泵拥有最高的耐热记录——这一壮举反映在吉尼斯世界纪录中。自那次开发以来，该团队一直在设计一种可以加载到这种高温泵中的能量存储系统。

“太阳在盒子里”

现在，研究人员已经概述了他们新的可再生能源存储系统的概念，他们称之为TEGS-MPV，用于热网格存储-多结光伏。他们建议不要使用镜子和中央塔来集中热量，而是将任何可再生能源(如阳光或风能)产生的电能转换为热能，并通过焦耳加热——电流通过加热的过程元件。

该系统可以与现有的可再生能源系统(如太阳能电池)配对，以捕获白天多余的电力并储存起来供以后使用。例如，考虑亚利桑那州的一个小镇，它的部分电力来自太阳能发电厂。

“它说每个人下班回家，打开空调，太阳下山了，但还是很热，”亨利说。“那时候光伏发电的产量不会很大，所以你要在一天中早一点储存一些能量，就像太阳在中午的时候一样。多余的电能可以输送到储藏室。我们在这里发明的系统。”

该系统将包括一个由石墨制成的大型、高度隔热、10米宽的储罐，装满液态硅，将保持在接近3500华氏度的“冷”温度下。一排暴露在加热元件下的管子将冷罐连接到第二个“热”罐。当来自城市和城镇太阳能电池的电能进入系统时，这种能量在加热元件中转化为热量。同时，液态硅被泵出冷水箱，在通过暴露于加热元件的管束时被进一步加热，并进入热水箱。此时，热能现在储存在大约4300的较高温度F下。

当需要电力时，比如说在太阳下山后，热的液态硅--热到发出白光--被泵入一系列发光的管子中。一种称为多结光伏发电的特殊太阳能电池然后将光转化为电能，可以供应给城镇的电网。现在，冷却的硅可以被泵回冷水箱，直到下一轮储存-有效地充当一个大型可充电电池。

亨利说：“人们开始给我们的概念起了一个亲切的名字，叫‘太阳在盒子里’，这是我的同事、佐治亚理工学院的Shannon Yee发明的。”"它基本上是一个非常强的光源，都在一个可以捕捉热量的盒子里."

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亨利表示，该系统需要一个足够厚和坚固的储罐来隔离内部的熔融液体。

“这些东西内部散发白热，但你在外面摸的应该是室温，”亨利说。

他建议坦克应该用石墨制造。但有人担心，在这么高的温度下，硅会和石墨反应生成碳化硅，会腐烂。

为了测试这种可能性，该团队制造了一个微型石墨罐并用液态硅填充。当液体在3600°F保持约60分钟时，确实形成碳化硅，但不是腐蚀罐，而是形成薄的保护性衬里。

“它坚持石墨并形成保护层，防止进一步的反应，”亨利说。“所以你可以用石墨制造这个罐子，它不会被硅片腐蚀。”

该小组还找到了解决另一个挑战的方法：由于系统的坦克必须非常大，因此不可能用一块石墨建造它们。如果它们由多个部件制成，则必须以这样的方式密封它们以防止熔融液体泄漏。在他们的论文中，研究人员证明，他们可以通过将石墨片与碳纤维螺栓拧在一起并用石墨 - 用作高温密封剂的柔性石墨密封它们来防止任何泄漏。

研究人员估计，单个存储系统可以使大约100,000个家庭的小城市完全由可再生能源供电。

Henry强调该系统的设计在地理上是无限的，这意味着它可以位于任何地方，无论位置如何。这与泵送水力发电相反 - 水力发电是目前最便宜的能量储存形式，需要能够容纳大型瀑布和水坝的位置，以便从落水中储存能量。

“这在地理上是无限的，并且比抽水电站便宜，这非常令人兴奋，”亨利说。“从理论上讲，这是实现可再生能源为整个电网供电的关键。”

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