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兩個直徑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

2019年01月07日
臺灣科技大學電機工程系電力與能源組 陳在相教授(已退休)

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,惟此兩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,且前後兩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上為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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