什么是沙电池? 你需要知道的一切

沙子电池会响吗? 继续阅读,我们将探索在普通沙子中储存大量能量的可能性。

来自芬兰的沙电池的消息最近成为头条新闻,尽管该系统仅储存和释放热量。

蓄热不是一项新技术,但这个试点项目突出了绿色能源技术和系统的一些未来可能性。

这篇文章着眼于用于储能的沙子技术以及类似技术,以及它们对世界的意义。

来自沙子的能量?

天然沙子具有许多特性,使其成为热能储存的理想介质。 您可以将其加热到超过 1,000°C (1,832°F) 的温度而不会出现问题,并且它可以将这种热量保持数天、数周甚至数月,而损失最小。

如果您认为电池是一种存储在特定时间产生的能量的方式,因此它可以在不同的时间使用,那么用电能加热以进行存储和以后使用的沙子就是电池。

来自芬兰的病毒沙电池

在芬兰西部的 Kankaanpää 区,有一个获得专利的蓄热能源系统,该系统由 极地之夜. 它使用来自可再生能源的多余电能将 7 米高、4 米宽的筒仓中的沙子加热到 600°C (1,112°F),以供区域供热网络储存和以后使用。

这里有几件事很重要。 首先,使用的能源是风能和太阳能等可再生能源的过剩发电量。 这消除了出于商业目的与其他储能系统的任何客观比较。

其次,该系统仅用于储热和输送——即电能转化为热能并储存在沙子中。 然后,当需要时,热量被提取并分配到需要的家庭和工厂。

第三,天然沙子可以容纳相当多的能量。 例如,这款芬兰极地之夜电池在 100 摄氏度左右可容纳 600 吨沙子,在 8 千瓦的加热容量下总共存储了 100 兆瓦时的能量。 这使得沙子成为一种非常便宜的储能介质,没有花哨的技术、装置或危险的要求。

关于季节性热能储存

季节性热能储存或简称 STES,已经存在了很长时间。 在最简单的形式中,您可以在夏季从屋顶收集热水并将其保存在地下水箱中,然后您可以在冬季用于取暖。

然而,大多数 STES 系统在低于 100°C 的温度下储存热量,这使得它们可以为家庭和办公室供暖,但不太适合其他工业用途或发电。

该方法很简单,将任何可以捕获和保持热量的介质暴露于辐射源,例如太阳、工业废热等。 系统的效率取决于热交换方法及其效率。

接下来,您必须将加热的介质存储在绝缘外壳中,以最大限度地减少能量损失。 一些外壳可以保温好几个月。

最后,储存介质在冬季被抽出,通过另一个热交换装置(如散热器加热器)为家庭和办公室供暖。 用作STES存储介质的常用材料包括水、油、土壤、盐水合物等。

储存热能的流行用途

储存的热能有很多用途,具体取决于预期的应用。 以下是最受欢迎的:

  1. 供暖家庭和办公室 – 储热可以很容易地为冬季的生活和工作空间提供供暖。
  2. 热水 – 热量也可以转移,为日常使用提供随时可用的热水。
  3. 工业应用 – 热水用于广泛的工业应用,从混合到清洁、食品加工、制造溶剂、灭菌等等。
  4. 电力生产  – 您还可以使用储存的热能将水加热成蒸汽,并让它驱动涡轮机,进而驱动交流发电机产生电力。

沙电池的经济学

与沙子相比,水可以储存更多的能量,但它从 100°C (212°F) 向上变得不稳定,而沙子很容易包含 600°C (1112°F) 的温度。

水也将比沙子更长时间地保留其热能,这使水成为季节性能量储存的更好介质。 但是,如果您正在考虑在数小时或几天内耗尽热量的应用程序,那么沙子再次成为首选。 它非常适合补充间歇性能源,例如光伏太阳能和风能。

回到芬兰的沙子电池,这个 7 米高的钢制容器专为 100 吨沙子而设计,可容纳高达 8MWh 的能量。

换个角度来看,美国家庭平均每年使用约 10MWh 的能源,而欧洲的这一数字从罗马尼亚的 2MWh 到瑞典的 9MWh 不等。 此外,30-50% 的能源用于冬季取暖。

这意味着一个 7 米高的沙水库可以产生足够的电力来为几个家庭供暖过冬,具体取决于您所在的位置。 但考虑到它的规模,在人口密集的城市中心应用它是不切实际的。

另一方面,将其 100kW 的供暖能力转换为 30% 的电力可以在白天为 20 多个家庭提供足够的电力,在晚上为更多的家庭提供电力。

因此,经过适当优化,每千瓦时容量成本约为 5 美元的沙子电池可以替代目前铅酸和锂离子电池系统每千瓦时 100 美元以上的成本。 是的,它可能更笨重,但它更便宜。

发电用沙电池

储存热能以供以后用于发电是一项经过验证且可靠的技术,已在 集中式太阳能(CSP) 几十年的项目。

现代 CSP 系统中的能量是通过将数百或数千个镜子集中在一个熔炉中来捕获的。 然后,这些镜子在一天中跟踪太阳,以确保炉子的持续热量高达 565°C (1,049°F)。

CSP 装置通常非常大,面积跨越数百万平方英尺(~1+km2),其太阳能接收器位于中心,发电能力在 100+ 兆瓦范围内。

含有 60% 硝酸钠和 40% 硝酸钾的熔盐混合物用于在 CSP 系统中储存能量以供夜间发电。 然而,与沙电池不同的是,这种盐混合物在高温下会熔化,使其像流体一样流动。

CSP 和沙子电池系统都将太阳能转化为热能,效率大致相同,均为 15-20%。 但是,虽然 CSP 熔盐系统将储存的热量转化为电能的效率约为 50%,但芬兰沙电池的理论效率为 20-25%。

CSP 系统在商业上是可行的,因此,如果您可以调整这种芬兰电池以达到 30% 以上的热电转换效率,那么它就可以成为一种可行的技术,以廉价存储和供应可再生电力。

类似的存储技术

还有许多其他形式的能量存储,每一种都有其优点和缺点。 最受欢迎的类型包括:

  1. 电化学储能 – 正如您在电池中发现的那样,这利用了两种元素之间的电位差,通过可逆的电化学反应来存储和释放能量。
  2. 机械储能 – 这涉及不同的方法,包括使用飞轮和弹簧,以及通过绞盘和增加物体高度来将能量存储在物体中的引力系统。
  3. 熔盐储能(MSES) – 这里的储存是热储存,例如使用 60% 硝酸钠和 40% 硝酸钾的组合。
  4. 热水 – 此方法最多可存储 6千瓦时的能量 在一个 50 加仑的热水箱中。
  5. 抽水蓄能 – 最便宜的储能形式。 然而,它的主要问题是可以实施的位置有限。
  6. 压缩空气 – 与水力类似,这种方法只是压缩空气来储存能量。 然后,当您需要能量时,您释放压缩空气为涡轮机提供动力。
  7. 飞轮 – 您只需使用能量来旋转平衡良好的车轮,从而将其存储为动能,可用于运动或发电。
  8. 液流电池 – 这是一个电化学存储系统,其中电解质位于不同的罐中,并且必须从充满电的罐流到空的充电罐。 然后为电解质充电,您只需反转流动即可。 这种方法可以产生非常强大的电池,因为两种电解质通过可以广泛扩展的膜相互作用。
  9. 相变材料 – 这些材料在熔化时吸收能量,然后在凝固时释放能量。 它们非常适合在精确温度下储存热能。

常见问题解答(FAQ)

STES 代表什么?

STES 代表季节性热能储存

沙子能有多热?

您可以将沙子加热到 1700°C (3090°F),它开始融化。

沙电池能发电吗?

是的,通过使用能量使水过热,然后为蒸汽轮机提供动力。

沙子电池可以用来储存商业用电吗?

是的,您可以通过将电流通过浸入沙子中的加热元件,将电力存储在沙子电池中,容量高达每小时千兆瓦。

总结

我们已经完成了对沙电池及其经济潜力的探索。 您一定已经意识到,它们提供了许多可能性。

从为社区供热到发电,硅砂极其便宜,使其成为未来能源项目的有前途的媒介。

纳姆迪·奥克克

纳姆迪·奥克克

Nnamdi Okeke 是一位喜欢阅读各种书籍的计算机爱好者。 他偏爱 Linux 而不是 Windows/Mac,并且一直在使用
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