“盒子里的太阳”存储可再生能源并按需提供

麻省理工学院的研究人员提出了一种可再生能源存储系统的概念，如图所示，该系统将以白热液态硅的形式存储太阳能和风能，并存储在高度绝缘的储罐中。图像：邓肯·麦克格鲁（Duncan MacGruer）

麻省理工学院的工程师提出了一种系统的概念设计，该系统用于存储可再生能源（例如太阳能和风能），并根据需要将其重新传输到电网中。该系统不仅可以设计用于为小城市供电，还可以全天候为小城市供电。

新设计将太阳能或风能产生的多余电能所产生的热量存储在白热的熔融硅大罐中，然后在需要时将发光金属发出的光转换回电能。研究人员估计，与锂离子电池相比，这种系统的价格要便宜得多。锂离子电池被认为是可行的，但价格昂贵的存储可再生能源的方法。他们还估计，该系统的成本大约是抽水蓄能电站的一半-这是迄今为止最便宜的电网规模储能形式。

“即使我们现在想在可再生能源上运行电网，我们也无法做到，因为您将需要化石燃料涡轮来弥补可再生能源无法按需分配的事实，”罗伯特·阿斯贡·亨利（Asegun Henry）说。机械工程系N. Noyce职业发展副教授。“我们正在开发一项新技术，如果成功的话，它将解决能源和气候变化中最重要和最关键的问题，即存储问题。”

亨利和他的同事们今天在《能源与环境科学》杂志上发表了他们的设计。

记录温度

新的储能系统源于一个项目，研究人员在该项目中寻找方法来提高一种称为集中太阳能的可再生能源的效率。与使用太阳能板将光直接转换为电能的传统太阳能发电厂不同，集中式太阳能发电需要巨大的大型镜面区域，将太阳光聚集到中心塔上，在中心塔上，光会转化为热量，最终转化为电能。

亨利指出：“技术有趣的原因是，一旦您完成了将光聚焦以获取热量的过程，就可以比储存电能更便宜地储存热量，”

集中式太阳能发电厂将太阳热存储在装有熔融盐的大罐中，该熔融盐被加热到大约华氏1000度的高温。当需要用电时，热盐被泵送通过热交换器，该热交换器将盐的热量转换为蒸汽。然后，涡轮将蒸汽转化为电能。

亨利说：“这项技术已经存在了一段时间，但人们一直认为它的成本永远不会低到足以与天然气竞争。”“因此，有人要求在更高的温度下运行，这样您就可以使用更高效的热力发动机并降低成本。”

但是，如果操作员将盐加热到远远超过当前温度的水平，则盐会腐蚀存储盐的不锈钢罐。因此，亨利（Henry）的团队寻找除盐以外的其他可能会在更高温度下储存热量的介质。他们最初提出了液态金属，最后定居在硅上，硅是地球上含量最高的金属，可以承受超过华氏4,000度的惊人高温。

去年，该团队开发了一种泵，它可以承受如此强烈的热量，并且可以想象通过可再生存储系统泵送液态硅。该泵具有最高的耐热性，这是《吉尼斯世界纪录》中提到的一项壮举。自从开发以来，该团队一直在设计一种可以结合这种高温泵的储能系统。

“盒子里的太阳”

现在，研究人员已经概述了他们的新概念，即用于热能网格存储-多结光伏的可再生能源存储系统（称为TEGS-MPV）的概念。他们建议不使用镜子和中央塔架来集中热量，而是建议通过焦耳加热将任何可再生资源（例如阳光或风）产生的电转换成热能，即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（例如太阳能电池）配对使用，以在白天捕获多余的电能并存储起来以备后用。例如，考虑一下亚利桑那州的一个小镇，该小镇的一部分电能来自太阳能发电厂。

亨利说：“说每个人都下班回家，打开空调，太阳下山了，但仍然很热。”“到那时，光伏电池将不会有很多输出，因此您必须存储一天中早些时候的一些能量，例如太阳正午时分。多余的电力可以路由到我们在这里发明的存储系统中。”

该系统将由一个大型的，高度绝缘的，宽10米的储罐组成，该储罐由石墨制成并填充有液态硅，并保持在接近3500华氏度的“冷”温度下。一排暴露于加热元件的管子然后将这个冷水箱连接到第二个“热”水箱。当镇上的太阳能电池产生的电能进入系统时，这种能量会在加热元件中转化为热量。同时，液态硅从冷槽中抽出，并通过穿过暴露于加热元件的那排管子进一步加热，进入热槽中，在这里热能以更高的温度存储（约4,300） F。

例如，当需要电力时，太阳落山后，将热的液态硅（如此之热以至于发出白色的光）通过一系列发射该光的管子泵出。专门的太阳能电池（称为多结光伏电池）然后将其转换为电能，然后再提供给该镇的电网。现在冷却的硅可以抽回到冷槽中，直到进行下一轮存储为止-有效地充当了大型可充电电池。

亨利说：“人们开始称呼我们这个概念的最亲切的名字之一就是'盒子里的阳光'，这是我的同事佐治亚理工学院的Shannon Yee创造的。”“基本上，它是一个非常强的光源，全部都包含在一个可以散发热量的盒子中。”

储存金钥

亨利说，该系统将需要足够厚且坚固的储罐，以隔离其中的熔融液体。

亨利说：“里面的东西发白炽热，但外面碰到的应该是室温。”

他曾提议这些储罐是用石墨制成的。但是，人们担心硅在如此高的温度下会与石墨反应生成碳化硅，从而腐蚀储罐。

为了测试这种可能性，该团队制造了一个微型石墨罐，并在其中填充了液态硅。当液体在3600 F下保持约60分钟时，确实形成了碳化硅，但并未腐蚀储罐，而是形成了一个薄的保护性衬里。

亨利说：“它粘在石墨上并形成保护层，防止进一步反应。”“因此，您可以用石墨建造该储罐，并且不会被硅腐蚀。”

该小组还找到了解决另一个挑战的方法：由于系统的储罐必须非常大，因此不可能用一块石墨来制造它们。如果改为由多块制成，则必须以防止熔融液体泄漏的方式将其密封。在他们的论文中，研究人员证明，通过将石墨碎片与碳纤维螺栓拧在一起并用grafoil（一种用作高温密封剂的柔性石墨）密封，可以防止任何泄漏。

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使用可再生能源供电。

Bipartisan政策中心能源创新副主任兼美国能源创新委员会参谋长Addison Stark说：“能源存储方面的创新现在正在紧要关头。”能源技术专家认识到必须提供低成本，高效率的存储选项，以平衡电网上不可分配的发电技术。因此，现在有许多伟大的想法浮出水面。在这种情况下，固态功率块的开发加上难以置信的高存储温度推动了可能的极限。

亨利强调说，该系统的设计在地理上是不受限制的，这意味着它可以放置在任何地方，而不管位置的风景如何。与此相反，抽水式水力发电是目前最便宜的能量存储形式，它需要能够容纳大瀑布和水坝的位置，以存储落下的水的能量。

亨利说：“这在地理上是无限的，并且比抽水蓄能的便宜，这非常令人兴奋。”“从理论上讲，这是使可再生能源为整个电网供电的关键。”

出版物：Caleb Amy等人，“使用多结光伏电池的热能网格存储”，《能源与环境科学》，2018年； doi：10.1039 / C8EE02341G