"ดวงอาทิตย์ในกล่อง" จะเก็บพลังงานหมุนเวียนสำหรับกริด: ออกแบบระบบที่ให้พลังงานแสงอาทิตย์- หรือพลังงานลมตามความต้องการน่าจะมีราคาถูกกว่าตัวเลือกชั้นนำอื่น ๆ

วิศวกรของ MIT ได้ออกแบบแนวคิดสำหรับระบบกักเก็บพลังงานหมุนเวียน, เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม, และส่งพลังงานนั้นกลับเข้าสู่กริดไฟฟ้าตามต้องการ. ระบบอาจได้รับการออกแบบให้จ่ายพลังงานให้กับเมืองเล็กๆ ไม่ใช่แค่เมื่อพระอาทิตย์ขึ้นหรือลมแรงเท่านั้น, แต่ตลอดเวลา.

การออกแบบใหม่นี้เก็บความร้อนที่เกิดจากไฟฟ้าส่วนเกินจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมในถังซิลิคอนหลอมเหลวร้อนสีขาวขนาดใหญ่, แล้วแปลงแสงจากโลหะที่เรืองแสงกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าเมื่อจำเป็น. นักวิจัยประเมินว่าระบบดังกล่าวจะมีราคาไม่แพงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างมาก, ซึ่งได้รับการเสนอให้เป็นแนวทางปฏิบัติได้, แม้ว่าจะมีราคาแพง, วิธีกักเก็บพลังงานหมุนเวียน. พวกเขายังคาดการณ์ว่าระบบจะมีราคาประมาณครึ่งหนึ่งของการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบซึ่งเป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานระดับกริดที่ถูกที่สุดจนถึงปัจจุบัน.

นักวิจัยของ MIT เสนอแนวคิดสำหรับระบบจัดเก็บข้อมูลหมุนเวียน, ภาพที่นี่, ที่จะกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมในรูปของซิลิคอนเหลวร้อนสีขาว, เก็บไว้ในถังที่มีฉนวนอย่างแน่นหนา. ภาพ: ดันแคน แมคกรูเออร์

“แม้ว่าเราต้องการที่จะดำเนินการกริดด้วยพลังงานหมุนเวียนในตอนนี้ เราก็ทำไม่ได้, เพราะคุณต้องการกังหันที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อชดเชยความจริงที่ว่าไม่สามารถส่งพลังงานหมุนเวียนได้ตามความต้องการ,” อาเซกุน เฮนรี่ กล่าว, โรเบิร์ต เอ็น. รองศาสตราจารย์ด้านการพัฒนาอาชีพ Noyce ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล. “เรากำลังพัฒนาเทคโนโลยีใหม่นั้น, ถ้าประสบความสำเร็จ, จะแก้ปัญหาที่สำคัญและวิกฤติที่สุดในด้านพลังงานและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, กล่าวคือ, ปัญหาการจัดเก็บ”

เฮนรีและเพื่อนร่วมงานของเขาได้เผยแพร่การออกแบบของพวกเขาในวันนี้ในวารสาร วิทยาศาสตร์พลังงานและสิ่งแวดล้อม.

บันทึกอุณหภูมิ

ระบบจัดเก็บข้อมูลใหม่เกิดขึ้นจากโครงการที่นักวิจัยมองหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพของพลังงานหมุนเวียนรูปแบบหนึ่งที่เรียกว่าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น. ต่างจากโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วไปที่ใช้แผงโซลาร์เซลล์เพื่อแปลงแสงเป็นไฟฟ้าโดยตรง, พลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมศูนย์ต้องใช้กระจกบานใหญ่ขนาดใหญ่ที่รวมแสงอาทิตย์ไปที่หอคอยกลาง, โดยที่แสงถูกแปลงเป็นความร้อนและกลายเป็นไฟฟ้าในที่สุด.

“เหตุผลที่เทคโนโลยีมีความน่าสนใจก็คือ, เมื่อคุณทำกระบวนการโฟกัสแสงเพื่อรับความร้อนแล้ว, คุณสามารถเก็บความร้อนได้ราคาถูกกว่าเก็บไฟฟ้ามาก,” เฮนรี่ตั้งข้อสังเกต.

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้นจะเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ไว้ในถังขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยเกลือหลอมเหลว, ซึ่งถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1,000 องศาฟาเรนไฮต์. เมื่อจำเป็นต้องใช้ไฟฟ้า, เกลือร้อนจะถูกสูบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, ซึ่งถ่ายเทความร้อนของเกลือไปเป็นไอน้ำ. กังหันจะเปลี่ยนไอน้ำนั้นให้เป็นไฟฟ้า.

“เทคโนโลยีนี้มีมาระยะหนึ่งแล้ว, แต่ความคิดก็คือต้นทุนของมันจะไม่ต่ำพอที่จะแข่งขันกับก๊าซธรรมชาติได้,” เฮนรี่กล่าว. “จึงมีแรงผลักดันให้ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นมาก, เพื่อให้คุณสามารถใช้เครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดต้นทุนลงได้”

อย่างไรก็ตาม, หากผู้ปฏิบัติงานต้องให้ความร้อนแก่เกลือเกินกว่าอุณหภูมิปัจจุบันมาก, เกลือจะกัดกร่อนถังสแตนเลสที่เก็บไว้. ทีมงานของเฮนรี่จึงมองหาสื่ออื่นที่ไม่ใช่เกลือที่อาจกักเก็บความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก. ในตอนแรกพวกเขาเสนอโลหะเหลวและในที่สุดก็ตกลงบนซิลิคอนซึ่งเป็นโลหะที่มีมากที่สุดในโลก, ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงเกินอย่างไม่น่าเชื่อ 4,000 องศาฟาเรนไฮต์.

ปีที่แล้ว, ทีมงานได้พัฒนาปั๊มที่สามารถทนต่อความร้อนที่ร้อนจัดได้, และสามารถสูบซิลิคอนเหลวผ่านระบบจัดเก็บข้อมูลหมุนเวียนได้. ปั๊มมีความทนทานต่อความร้อนสูงสุดเป็นประวัติการณ์ — ความสำเร็จที่ได้รับการบันทึกไว้ใน “The Guiness Book of World Records” ตั้งแต่นั้นมาก็มีการพัฒนา, ทีมงานได้ออกแบบระบบกักเก็บพลังงานที่สามารถรวมปั๊มที่มีอุณหภูมิสูงได้.

“ดวงอาทิตย์ในกล่อง”

ตอนนี้, นักวิจัยได้สรุปแนวคิดเกี่ยวกับระบบกักเก็บพลังงานทดแทนแบบใหม่, ซึ่งพวกเขาเรียกว่า TEGS-MPV, สำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบกริด-พลังงานแสงอาทิตย์แบบหลายทางแยก. แทนที่จะใช้ช่องกระจกและหอคอยกลางเพื่อรวบรวมความร้อน, พวกเขาเสนอให้มีการแปลงไฟฟ้าที่เกิดจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน, เช่นแสงแดดหรือลม, ให้เป็นพลังงานความร้อน, ผ่านการทำความร้อนแบบจูล - กระบวนการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านองค์ประกอบความร้อน.

ระบบสามารถจับคู่กับระบบพลังงานทดแทนที่มีอยู่ได้, เช่นโซลาร์เซลล์, เพื่อดักจับไฟฟ้าส่วนเกินในระหว่างวันและเก็บไว้ใช้ในภายหลัง. พิจารณา, parser สังเกตวิดีโอคำบรรยาย, เมืองเล็กๆ ในรัฐแอริโซนาที่ได้รับไฟฟ้าส่วนหนึ่งจากโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์.

“บอกว่าทุกคนกำลังจะกลับบ้านจากที่ทำงาน, เปิดเครื่องปรับอากาศ, และดวงอาทิตย์กำลังจะตก, แต่มันยังร้อนอยู่,” เฮนรี่กล่าว. “ ณ จุดนั้น, เซลล์แสงอาทิตย์จะมีผลผลิตไม่มากนัก, ดังนั้นคุณจะต้องเก็บพลังงานบางส่วนไว้ตั้งแต่ช่วงเช้าของวัน, เหมือนเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ตอนเที่ยง. ไฟฟ้าส่วนเกินนั้นสามารถถูกส่งไปยังระบบกักเก็บที่เราประดิษฐ์ขึ้นที่นี่”

ระบบก็จะประกอบไปด้วยขนาดใหญ่, ฉนวนหนา, 10-ถังขนาดกว้างเมตรทำจากกราไฟท์และบรรจุด้วยซิลิโคนเหลว, เก็บไว้ที่อุณหภูมิ "เย็น" เกือบ 3,500 องศาฟาเรนไฮต์. ธนาคารแห่งหลอด, สัมผัสกับองค์ประกอบความร้อน, จากนั้นเชื่อมต่อถังเย็นนี้เข้ากับวินาที, ถัง "ร้อน". เมื่อไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์ของเมืองเข้ามาสู่ระบบ, พลังงานนี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนในองค์ประกอบความร้อน. ทบทวนบริการให้กับทีม Scrum, ซิลิคอนเหลวถูกสูบออกจากถังเย็นและให้ความร้อนเพิ่มขึ้นอีกเมื่อไหลผ่านแนวท่อที่สัมผัสกับองค์ประกอบความร้อน, และลงถังร้อน, โดยที่พลังงานความร้อนปัจจุบันถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นมากประมาณ 4,300 F.

เมื่อจำเป็นต้องใช้ไฟฟ้า, พูด, หลังจากดวงอาทิตย์ตกแล้ว, ซิลิคอนเหลวร้อน — ร้อนจนเป็นสีขาวเรืองแสง — ถูกสูบผ่านอาร์เรย์ของหลอดที่ปล่อยแสงนั้น. เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดพิเศษ, เรียกว่าพลังงานแสงอาทิตย์แบบหลายทางแยก, แล้วเปลี่ยนแสงนั้นให้เป็นไฟฟ้า, ซึ่งสามารถส่งเข้ากริดของเมืองได้. ซิลิคอนที่เย็นแล้วสามารถปั๊มกลับเข้าไปในถังเย็นได้จนกว่าจะจัดเก็บรอบถัดไป - ทำหน้าที่เสมือนแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟขนาดใหญ่ได้.

“หนึ่งในชื่อที่น่ารักที่ผู้คนเริ่มเรียกแนวคิดของเรา, คือ 'ดวงอาทิตย์ในกล่อง,’ ซึ่งริเริ่มโดย Shannon Yee เพื่อนร่วมงานของฉันที่ Georgia Tech,” เฮนรี่กล่าว. “โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูงมากซึ่งทั้งหมดนั้นบรรจุอยู่ในกล่องที่กักเก็บความร้อน”

กุญแจห้องเก็บของ

เฮนรีกล่าวว่าระบบจะต้องมีถังที่หนาและแข็งแรงพอที่จะป้องกันของเหลวหลอมเหลวภายใน.

“ข้างในมีสีขาวเร่าร้อน, แต่สิ่งที่สัมผัสภายนอกควรเป็นอุณหภูมิห้อง,” เฮนรี่กล่าว.

เขาได้เสนอให้ทำถังจากกราไฟท์. แต่มีความกังวลว่าซิลิคอน, ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้, จะทำปฏิกิริยากับกราไฟท์เพื่อผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์, ซึ่งอาจกัดกร่อนถังได้.

เพื่อทดสอบความเป็นไปได้นี้, ทีมงานได้สร้างถังกราไฟท์ขนาดเล็กและเติมด้วยซิลิคอนเหลว. เมื่อของเหลวถูกเก็บไว้ที่ 3,600 F ประมาณ 60 นาที, ซิลิคอนคาร์ไบด์เกิดขึ้น, แต่แทนที่จะทำให้ถังสึกกร่อน, มันสร้างความบาง, ซับป้องกัน.

“มันเกาะติดกับกราไฟท์และสร้างชั้นป้องกัน, ป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป,” เฮนรี่กล่าว. “ดังนั้นคุณสามารถสร้างแท็งก์นี้จากกราไฟท์ได้ และมันจะไม่ถูกกัดกร่อนด้วยซิลิคอน”

กลุ่มนี้ยังพบหนทางหลีกเลี่ยงความท้าทายอีกอย่างหนึ่ง: เนื่องจากถังของระบบจะต้องมีขนาดใหญ่มาก, เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างมันขึ้นมาจากกราไฟท์ชิ้นเดียว. หากทำมาจากหลายชิ้นแทน, สิ่งเหล่านี้จะต้องปิดผนึกในลักษณะที่ป้องกันไม่ให้ของเหลวที่หลอมละลายรั่วไหลออกมา. ในกระดาษของพวกเขา, นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถป้องกันการรั่วไหลได้โดยการขันสกรูชิ้นส่วนของกราไฟท์ร่วมกับสลักเกลียวคาร์บอนไฟเบอร์ และปิดผนึกด้วยกราไฟท์ ซึ่งเป็นกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่นซึ่งทำหน้าที่เป็นสารเคลือบหลุมร่องฟันที่อุณหภูมิสูง.

นักวิจัยประเมินว่าระบบจัดเก็บข้อมูลเพียงระบบเดียวสามารถช่วยให้เมืองเล็กๆ ที่มีขนาดประมาณนี้ได้ 100,000 บ้านที่ใช้พลังงานหมุนเวียนทั้งหมด.

“นวัตกรรมในการกักเก็บพลังงานกำลังเกิดขึ้นในขณะนี้,” แอดดิสัน สตาร์ก กล่าว, รองผู้อำนวยการฝ่ายนวัตกรรมพลังงานศูนย์นโยบายสองฝ่าย, และผู้อำนวยการเจ้าหน้าที่ของ American Energy Innovation Council. “นักเทคโนโลยีพลังงานตระหนักถึงความจำเป็นที่จะต้องมีต้นทุนต่ำ, ตัวเลือกการจัดเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อสร้างสมดุลให้กับเทคโนโลยีการสร้างที่ไม่สามารถจัดส่งได้บนกริด. เช่นนั้น, มีแนวคิดดีๆ มากมายเกิดขึ้นข้างหน้าในขณะนี้. ในกรณีนี้, การพัฒนาบล็อกพลังงานโซลิดสเตทควบคู่กับอุณหภูมิการจัดเก็บที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อได้ขยายขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ออกไป”

Henry เน้นย้ำว่าการออกแบบระบบนั้นไม่จำกัดทางภูมิศาสตร์, หมายความว่าสามารถจัดวางได้ทุกที่, โดยไม่คำนึงถึงภูมิทัศน์ของสถานที่. ซึ่งตรงกันข้ามกับไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบซึ่งปัจจุบันเป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่ถูกที่สุด, ซึ่งต้องการสถานที่ที่สามารถรองรับน้ำตกและเขื่อนขนาดใหญ่ได้, เพื่อกักเก็บพลังงานจากน้ำที่ตกลงมา.

“สิ่งนี้ไม่จำกัดทางภูมิศาสตร์, และราคาถูกกว่าแบบสูบน้ำ, ซึ่งน่าตื่นเต้นมาก,” เฮนรี่กล่าว. “ในทางทฤษฎี, นี่เป็นหัวใจหลักในการใช้พลังงานหมุนเวียนเพื่อจ่ายพลังงานให้กับโครงข่ายทั้งหมด”

แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย Jennifer Chu