"صن في مربع" أن تخزين الطاقة المتجددة في الشبكة: تصميم النظام الذي يوفر الطاقة الشمسية- أو القوة المولدة من الرياح على الطلب يجب أن تكون أرخص من خيارات رائدة أخرى

ويأتي المهندسين MIT حتى مع التصميم النظري لنظام لتخزين الطاقة المتجددة, مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح, وتقديم تلك الطاقة مرة ثانية إلى الشبكة الكهربائية على الطلب. ويمكن تصميم نظام لتزويد مدينة صغيرة وليس فقط عندما تكون الشمس أعلى أو تكون الرياح عالية, ولكن على مدار الساعة.

مخازن التصميم الجديد الحرارة المتولدة من الكهرباء الزائدة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح في خزانات كبيرة من السيليكون المنصهر الأبيض الساخنة, ثم يحول الضوء من المعدن متوهجة يعود إلى كهرباء عند الحاجة إليه. ويقدر الباحثون أن مثل هذا النظام سيكون أكثر اتساعا وبأسعار معقولة من بطاريات ليثيوم أيون, التي تم اقتراحها باعتبارها قابلة للحياة, على الرغم من تكلفة, طريقة لتخزين الطاقة المتجددة. ويقدر أيضا أن النظام سيكلف حوالي نصف بقدر ضخ تخزين الطاقة الكهرومائية - أرخص وسيلة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة إلى تاريخ.

الباحثون MIT يقترح مفهوم لنظام تخزين الطاقة المتجددة, الصورة هنا, التي من شأنها أن تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في شكل السيليكون السائل الأبيض الساخنة, تخزينها في خزانات معزولة بشكل كبير. صورة: دنكان MacGruer

"حتى لو أردنا لتشغيل الشبكة على مصادر الطاقة المتجددة في الوقت الراهن لم نستطع, لأنك سوف تحتاج التوربينات التي تعمل بالوقود الأحفوري للتعويض عن حقيقة أن إمدادات الطاقة المتجددة لا يمكن أن ترسل عند الطلب,"يقول Asegun هنري, روبرت N. أستاذ مشارك نويس التطوير الوظيفي في قسم الهندسة الميكانيكية. "إننا نعمل على تطوير تقنية جديدة, في حال نجاحها, من شأنه أن يحل هذه المشكلة الهامة والحاسمة في الطاقة وتغير المناخ, أي, مشكلة التخزين ".

وقد نشرت هنري ورفاقه تصميمها اليوم في مجلة الطاقة والعلوم البيئية.

وقت قياسي

ينبع نظام التخزين الجديد من المشروع الذي درس الباحثون عن طرق لزيادة كفاءة شكل من أشكال الطاقة المتجددة المعروفة باسم تتركز الطاقة الشمسية. وخلافا لمحطات الطاقة الشمسية التقليدية التي تستخدم الألواح الشمسية لتحويل ضوء مباشرة إلى كهرباء, الطاقة الشمسية المركزة تتطلب حقول واسعة من المرايا الضخمة التي تركز أشعة الشمس على برج مركزي, حيث يتم تحويل الضوء إلى الحرارة التي تحولت في نهاية المطاف إلى كهرباء.

"والسبب أن التكنولوجيا هي مثيرة للاهتمام هو, بمجرد القيام بذلك عملية تركيز الضوء للحصول على الحرارة, يمكنك تخزين الحرارة أكثر من ذلك بكثير بتكلفة أقل من يمكنك تخزين الكهرباء,"مذكرات هنري.

محطات الطاقة الشمسية المركزة تخزين حرارة الشمس في خزانات كبيرة مملوءة الملح المنصهر, الذي تسخينها إلى درجات حرارة عالية تتراوح ما بين 1,000 درجة فهرنهايت. عندما تكون هناك حاجة الكهرباء, يتم ضخ الملح الساخنة من خلال مبادل حراري, الذي ينقل الحرارة الملح حيز البخار. توربين ثم يتحول هذا البخار في الكهرباء.

"لقد كانت هذه التكنولوجيا في جميع أنحاء لفترة من الوقت, ولكن كان التفكير أن تكلفته سوف تحصل أبدا منخفضة بما فيه الكفاية لمنافسة الغاز الطبيعي,"هنري يقول. "لذلك كان هناك دفع للعمل في درجات حرارة أعلى من ذلك بكثير, لذلك يمكن أن تستخدم حرارة المحرك أكثر كفاءة والحصول على خفض التكلفة ".

ومع ذلك, إذا كانت المشغلين لتسخين الملح الكثير وراء درجات الحرارة الحالية, إن الملح تآكل صهاريج من الصلب المقاوم للصدأ التي يتم تخزينها. حتى بدا فريق هنري لأخرى متوسطة من الملح يمكن أن تخزين الحرارة في درجات حرارة أعلى من ذلك بكثير. واقترحوا في البداية المعدن السائل واستقر في نهاية المطاف على السيليكون - المعدن الأكثر وفرة على الأرض, والتي يمكن أن تحمل درجات الحرارة العالية بشكل لا يصدق من خلال 4,000 درجة فهرنهايت.

العام الماضي, طور فريق المضخة التي يمكن أن تحمل هذه الحرارة اللافحة, ويمكن ضخ تصور السيليكون السائل من خلال نظام تخزين الطاقة المتجددة. مضخة لديها أعلى التسامح حرارة على الإطلاق - وهو الإنجاز الذي يلاحظ في ومنذ ذلك التنمية "في غينيس كتاب القياسية العالمية.", تم فريق تصميم نظام تخزين الطاقة التي يمكن أن يتضمن مثل هذا مضخة ارتفاع درجة الحرارة.

"صن في مربع"

الآن, وأوضح الباحثون مفهومهم لنظام تخزين جديد للطاقة المتجددة, التي يسمونها TEGS-MPV, لالحرارية للطاقة الشبكة التخزين متعدد-مفرق وحدات الطاقة الشمسية. بدلا من استخدام حقول من المرايا وبرج مركزي لتركيز الحرارة, يقترحون تحويل الكهرباء المولدة من قبل أي مصدر متجدد, مثل أشعة الشمس أو الرياح, إلى طاقة حرارية, عبر قانون جول - العملية التي يمر تيار كهربائي من خلال عنصر التدفئة.

يمكن أن يقترن هذا النظام مع الأنظمة الحالية للطاقة المتجددة, مثل الخلايا الشمسية, لالتقاط الكهرباء الزائدة أثناء النهار وتخزينها لاستخدامها لاحقا. يعتبر, على سبيل المثال, وهي بلدة صغيرة في ولاية أريزونا أن يحصل على جزء من احتياجاتها من الكهرباء من محطة للطاقة الشمسية.

"قل الجميع هو الذهاب إلى المنزل من العمل, تشغيل مكيفات الهواء, والشمس تتراجع, لكنه ما زال ساخن,"هنري يقول. "في تلك النقطة, والخلايا الكهروضوئية لا ستكون لدينا الكثير من الانتاج, لذلك عليك أن بتخزينها بعض من الطاقة من وقت سابق من اليوم, مثل عندما كانت الشمس في الظهيرة. يمكن توجيه هذه الكهرباء الزائدة إلى نظام التخزين لقد اخترع هنا ".

وسوف يتكون هذا النظام من كبير, معزول بشكل كبير, 10-على صعيد متر دبابة مصنوعة من الجرافيت ومليئة السيليكون السائل, الاحتفاظ بها في درجة حرارة "باردة" ما يقرب من 3,500 درجة فهرنهايت. مصرف أنابيب, تتعرض لعناصر التدفئة, ثم يربط هذا الخزان البارد لثانية واحدة, "الساخنة" للدبابات. عندما يأتي الكهرباء من الخلايا الشمسية في المدينة في النظام, يتم تحويل هذه الطاقة إلى حرارة في عناصر التدفئة. وفى الوقت نفسه, ويتم ضخ السيليكون السائل من الخزان البارد ومع ارتفاع درجات الحرارة المزيد لأنها تمر عبر البنك أنابيب تتعرض لعناصر التدفئة, وفي خزان ساخن, حيث يتم تخزين الطاقة الحرارية الآن عند درجة حرارة أعلى بكثير من حول 4,300 F.

عندما تكون هناك حاجة الكهرباء, قل, بعد غروب الشمس, وضخه عبر مجموعة من الأنابيب التي ينبعث ضوء ذلك - السيليكون السائل الساخن - حار لدرجة انها متوهجة الأبيض. الخلايا الشمسية المتخصصة, المعروفة باسم الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات, ثم تحويل ذلك الضوء إلى كهرباء, والذي يمكن توفيره لشبكة المدينة. السيليكون تبريد الان يمكن ضخها مرة أخرى إلى الخزان البارد حتى الجولة القادمة من التخزين - القائم فعلا بأعمال بطارية قابلة للشحن كبيرة.

"واحد من الناس أسماء حنون وبدأ يدعو مفهومنا, هو "الشمس في مربع,"الذي صاغه زميلي شانون يي في جورجيا للتكنولوجيا,"هنري يقول. "إنه في الأساس مصدر ضوء شديد الكثافة موجود في صندوق يحبس الحرارة."

مفتاح التخزين

هنري يقول ان النظام يتطلب الدبابات سميكة وقوية بما فيه الكفاية لعزل السائل المنصهر داخل.

"الاشياء هو متوهجة البيضاء الساخنة في الداخل, ولكن ما كنت على اتصال في الخارج يجب أن تكون درجة حرارة الغرفة,"هنري يقول.

وقد اقترح أن يتم الدبابات من الجرافيت. ولكن هناك مخاوف من أن السيليكون, في مثل هذه درجات حرارة عالية, سوف تتفاعل مع الجرافيت لإنتاج كربيد السيليكون, والتي يمكن أن تآكل للدبابات.

لاختبار هذا الاحتمال, ملفقة فريق دبابة الجرافيت مصغرة وملأها السيليكون السائل. عندما كان يحتفظ السائل في 3,600 F لمدة 60 الدقائق, لم كربيد السيليكون شكل, ولكن بدلا من تآكل للدبابات, خلقت رقيقة, بطانة واقية.

"وتتمسك الجرافيت ويشكل طبقة واقية, منع المزيد من ردود الفعل,"هنري يقول. "وهكذا يمكنك بناء هذا الخزان من الجرافيت ولن تحصل على تآكل من قبل السيليكون".

ووجد الفريق أيضا وسيلة حول تحديا آخر: كما دبابات النظام من شأنه أن تكون كبيرة جدا, سيكون من المستحيل بناء عليها من قطعة واحدة من الجرافيت. إذا كانت بدلا مصنوعة من أجزاء متعددة, هذه يجب أن تكون مختومة في مثل هذه الطريقة لمنع السائل المنصهر من تسرب. في ورقتهم, أظهر الباحثون أن يتمكنوا من منع أي تسرب من قبل الشد قطعة من الجرافيت جنبا إلى جنب مع البراغي من ألياف الكربون وختم لهم grafoil - مرنة الجرافيت التي تقوم بدور مانع التسرب وارتفاع درجة الحرارة.

ويقدر الباحثون أن وجود نظام تخزين واحدة يمكن تمكين مدينة صغيرة من حوالي 100,000 المنازل ليكون مدعوم بالكامل من الطاقة المتجددة.

"الابتكار في تخزين الطاقة هو وجود لحظة الآن,"يقول أديسون ستارك, المدير المساعد للابتكار الطاقة في مركز سياسة الحزبين, ومدير الموظفين في مجلس الابتكار الطاقة الأمريكية. "التكنولوجيين الطاقة تعترف ضرورة أن يكون منخفضة التكلفة, خيارات التخزين ذات الكفاءة العالية المتاحة لتحقيق التوازن في تقنيات الجيل nondispatchable على الشبكة. كما, هناك العديد من الأفكار العظيمة القادمة إلى الصدارة في الوقت الحالي. في هذه الحالة, تطوير كتلة السلطة الحالة الصلبة إلى جانب درجات الحرارة تخزين عالية بشكل لا يصدق يتخطى حدود ما هو ممكن ".

هنري يؤكد أن تصميم النظام غير محدود جغرافيا, وهذا يعني أنه يمكن اختيار مواقعها في أي مكان, بغض النظر عن المشهد موقعا ل. هذا هو على النقيض من الطاقة الكهرومائية ضخ - حاليا أرخص وسيلة لتخزين الطاقة, الأمر الذي يتطلب من المواقع التي يمكن أن تستوعب الشلالات الكبيرة والسدود, من أجل تخزين الطاقة من الماء المتساقط.

"هذا غير محدود جغرافيا, وأرخص من الطاقة المائية التي يتم ضخها, وهي مثيرة للغاية,"هنري يقول. "نظريا, هذا هو محور تمكين الطاقة المتجددة لتشغيل الشبكة بالكامل ".

مصدر: HTTP://news.mit.edu, جنيفر تشو