「盒中太陽」的實現:專家如何評論「熱能電網儲存」系統?

「盒中太陽」的實現:專家如何評論「熱能電網儲存」系統?
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此一概念設計甚富創新性,惟待整體系統之設計,材料、元件與設備之製造,監視與調控技術之研究,效率與成本的精確評估等尚待進一步之努力與克服。未來電網全部由再生能源供電,可能因此一技術之商品化而更易實現。

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  • 議題:「盒中太陽」電網級再生能源儲存新興技術發表
背景描述

由於目前再生能源技術的成本已逐漸低於化石燃料,在需要廣泛且持續發電的前提下,再生能源發展的重要挑戰,已轉向如何在有需求的時候穩定的供應。據此,麻省理工學院的工程師提出「熱能電網儲存」(Thermal energy grid storage)的設計概念,其將再生能源多餘的熱量傳送到裝有液態矽的容器中,以利用液態矽所發出的白熱光,搭配多接面太陽能電池進行電力的轉換。

在工程師的設計中,熱能電網儲存系統是由2個直徑10公尺的石墨儲熱容器組成,其中一個儲存相對低溫的液態矽(1900℃),另一個儲存2400℃的液態矽。當系統運作時,1900℃的液態矽將會通過由再生能源熱能所加熱的管線,抵達另一個石墨容器。並透過矽在高溫下所產生的白熱光,搭配多接面太陽能板進行發電,回送電網。經過建造微型的設施模擬結果,預計其能量轉換的損失約為1%,可為10萬戶家庭進行供電。

這個熱能儲存系統的優點是相較於現有的儲能技術成本低、在設置地點上具靈活性,但它同時仍存在製造與技術上的問題待解決,例如系統如何監控在泵送的過程中是否有洩漏等。

研究原文:<使用多接面太陽能電池的熱能電網儲存>,Amy, C., Seyf, H. R., Steiner, M. A., Friedman, D. J., and Henry, A. (2018). “Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics.” Energy & Environmental Science, 2019; 目前僅線上發布,尚未紙本刊印。

陳在相教授(已退休)(臺灣科技大學電機工程系電力與能源組)

再生能源發電量占比的逐年快速提高,已勢不可免,其中又以太陽光電與風力發電為主力。惟此2種主力再生能源發電系統都具間歇性,無法穩定供電;且發電量不易預測,造成電力調度上的困難與系統安全的隱憂。故要達成再生能源發電高占比的目標,智慧電網已是公認的關鍵實踐要件。以彈性的應變機制,如需量反應、虛擬電廠等為工具,來解決此一問題。但在超高占比且量大的情況下,則非得仰賴電網級儲能系統(grid-scale energy storage system)的協助。

目前最經濟可行的電網級儲能,仍為抽蓄水力(pumped hydroelectric)。但其最大的問題在不易覓得妥適的構建地點,需有足夠大、鄰近且具相當高低差的上、下蓄水池。

麻省理工學院工程師所提出的「盒中太陽(sun in a box)」技術,係將再生能源發電過剩的電力,以熱能方式儲存在裝有液態矽的容器中。在有需求的時候,再利用高溫液態矽所發出的白熱光照射配搭的多接面太陽能電池,轉換為電能回送至電網。研究單位稱此一「熱能電網儲存(thermal energy grid storage)」其優點為成本低,約僅為抽蓄水力的一半,且在設置地點上具靈活性,較不受地理條件的限制。

惟就目前已揭露的資訊而言,此一儲能方式僅處於概念設計與實驗理論試驗階段,要如文中所稱「可供電給10萬戶家庭」,則尚有甚長的研發與商品化的路要走。

此項研究所設計的「熱能電網儲存」系統,雖經建造微型系統加以模擬驗證,且預計其能量轉換損失僅約為1%,但按其設計架構可知,此系統有光電轉換、電熱轉換、熱儲存、熱光轉換、光電轉換等程序,且前後2個轉換程序都涉及與太陽能電池的介接,因目前太陽能電池的轉換效率仍低且需甚大面積,是其容量放大技術尚非經微型系統的建構即可獲得,且能量轉換損失亦非所建造之微型系統所可比擬與驗證。

然而,不論如何,此一概念設計甚富創新性,惟待整體系統之設計,材料、元件與設備之製造,監視與調控技術之研究,效率與成本的精確評估等尚待進一步之努力與克服。未來電網全部由再生能源供電,可能因此一技術之商品化而更易實現。

本文經新興科技媒體中心授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航