捕获风能——有效利用新能源

发布时间：2009-04-02 作者：Charles J.Murray

　　有时候，没有风吹过。有时候，没有太阳照耀。那些了解国家能源需求的工程师们说：“风能和太阳能在没有后备能源的时候将无法成为主力能量供给源。”

　　这也是为什么各行各业的专家们——电池制造商，动力工程师甚至是汽车制造商们所找寻的存储能源的方法。他们希望在风能和太阳能为国家电网提供的巨大贡献力上铺平道路。他们指出所需要的条件就是——一个宏伟的梦想。“如果将成千上万个电池绑在一起，并且提供充足的冷却条件，就可以存储从风和太阳能当中提取的能量。”汽车研发中心总监David Cole 说道。该中心致力于概念汽车的研究开发。“你可以在能源需求高峰时获得并使用这个能源。”
　　事实上，这样的设想有各种各样，不胜枚举。有些人设想有一天，正如Cole 预见的那样，使用一连串电池存储千兆能量。另外一部分人则设想使用大体积电池组——每个有接近1000 立方英尺;为千家万户提供电流。但还有一部分人仍然倾向于“液体电池”以及超导磁带存储环。不可否认的，那些方案都只是一个草图而已。但是，了解情况的工程师们说现有的技术已经成熟，无须等到明天。
　　“无法存储能量这个问题已得到解决，因为只有少部分(大约2%)的能量是从风和太阳能当中获取的。”Argonne 国家实验室材料科学组高级科学家、名誉会员George Crabtree 说道。“但如果你计划从中获取30% 至40% 的能量是不现实的。风能和太阳能都需要有备份能源。”
　　平衡需求
　　确实，大多数专家相信风能和太阳能的设想比例在某些地方为10%。从这一点来看，风能和太阳能对电网的贡献具有越来越重要的意义，已成为不可或缺的部分。因此，它们需要进行能源需求的“平衡”。

　　该需求的原因非常简单但又常常不能满足要求。风涡轮机产生能量在并且只在风吹动的时候;太阳能电池只在有太阳光照耀的时候才会产生能量。像其他的能源——如煤炭、核能以及水能一样——风和太阳能制造的电流能量被立刻消耗掉。除了极少数情况之外，能源设备没有办法存储供稍后使用的电流。这就是之所以“平衡能源”变得非常重要。如果不能实现这个目标，在那些依靠风力发电区域内的能源设备用户，例如西部得克萨斯州，就会在无风的天气里面临断电的可能，还有可能他们会遇见“制造的能源过多”的相反情况——正如最近在纽约州发生的那样，风力涡轮机在“电网能源过度堵塞”时被关闭。
　　“当我们将较多的‘间断性制造’的风能和太阳能融入我们的电网系统时，在能源制造的间断期，需要有平衡能源来填补空缺。”电子能源研究所(EPRI)能源传输和利用副总裁Aarshed Mansoor 说道。他说当下最常见的平衡能源是气体涡轮机和煤炭厂。换句话来说，能源设备必须使用会释放二氧化碳的能源来平衡大量风能和太阳能的空缺，而避免对环境产生危害正是使用新型能源的初衷。
　　尽管如此，专家们还是声明如果没有能量储存的方法，他们也没有其它选择。“如果无法储存这些能量供以后使用，那么就没有一点好处。”美国麻省理工MIT 材料科学学院唯一获得John F. Elliott professor头衔的教授Donald Sadoway说道。“请给我举出那些能够带领公司制造可依赖能源的人的名单。”大多数专家都相信，在对能源没有紧急存储需要的今天，美国政府可以非常容易地添加风力发电厂，在很大程度上是因为风能和太阳能在美国总体能源网中只占有大约2% 的比例。但是在2008 年的总统候选人发言中提到，在全球变暖的危机中，风能和太阳能将会起到很大作用，因对这两种能源的存储将会变得尤其重要。
　　“风能的支持者说，能量需储存说是一无是处的，因为丹麦的风能占全国能耗的20%，而且他们也没有采用能源存储技术。”VRB 能源系统公司CEO Tim Hennessy 说道，“但是丹麦有一个巨大的电池供给源，那就是德国。”
　　电池的出现
　　事实上，解决的办法还是存在的。在非高峰用电时间，电能被用来抽取山脚的水——被称作泵压式水利发电的办法已经有几十年的历史了。从理论上说，泵压式水利发电是可行的，因为它允许设备引入泵压水潜在的能量来转动发电机，在高峰时间制造电流。而它的问题在于，泵压式水利发电对地点的要求很高。似乎没有人愿意自家的后院中有成兆立方英尺的水。类似地，公共事业机构在地下的洞穴里安放了压缩空气能量存储器(CAES)。采用由风和太阳能发电设备制造的能源，机构称他们能够用泵抽取压力为800 到1000psi 的空气到地下洞穴，然后用这些压缩空气转动发电机。再次收集了原本由风和太阳能制造的能量。
　　“在接下来的5 ～ 8 年，泵压式水利发电以及CAES 仍然是最好的”，动力工程师说道。但是从长远角度来看，尤其是越来越多的风力发电厂的出现，很多人相信电池会发挥越来越大的作用。汽车研究中心Cole 指出，汽车制造商在和动力部门沟通引进插电式混合汽车内使用过的锂电池，如雪佛莱Volt 汽车，将成千上万个这样的电池绑在一起，可以制造低成本的电池工厂。他说，锂电池是最理想的选择，因为它们可为汽车能，寿命甚至长达20 年。

　　“像雪佛莱Volt 这样汽车内的电池寿命可达20 到30 年，”Cole 说道。“设计出一个中央发电设备，然后将电能分布到电网各处，电池工程将电流从交流转换为直流，又从直流转换为交流。”他解释道，这个电池工厂能够一直储存能量直到电流使用的高峰期。
　　另外，汽车制造商们在电池尚在汽车内时，就讨论提出将锂电池作为平衡能源。“如果车库内有一辆不用的插电式混合动力车，而电力公司用电需求在高峰时，它会帮助你收回一些之前电力公司出售给你的电能。”Cole 说道。“你甚至可以赚取一些利润，因为在低峰期的电价相对较低。”
　　动力部门已经尝试过一些能量存储的办法。例如VRB 能源系统公司在爱尔兰、日本、丹麦、德国、南非以及阿拉斯加的太阳能和风能应用设备上安装了钒燃料电池。VRB 公司的产品钒氧化还原液流储能电池，用化学的方法以不同离子形式的钒储存电能，并将液流电池通过泵压穿过质子交换膜。反应结果是可逆的，电池则可以进行充电和放电，储存能量以及释放能量。
　　VRB 公司的Hennessy 把该技术比作汽车的引擎和燃料箱。扩大汽车的引擎可以制造更多的能量，同时燃料箱扩充能够给予更多的时间和空间。“液流电池的关键是可持续时间，”他说道。“电池的大小固定了。而大小决定能量的多少。如果需要持续时间更长，则要添加更多的液体电流。” Hennessy 补充说VRB 公司制造的10MW 电池引入了50 个电池组，每个大小为2×3×8m。
　　全球许多制造商都在开发其它的大型能量储存技术。例如NGK 绝缘公司，为“负荷量及调峰技术”动力设备制造了钠硫蓄电池， 即NAS 电池。这样的电池块包含了多个单元，每个大小为一个苏打汽水瓶。密封的电池运行时提供了300C 的热量给被陶瓷材料隔开的液态金属(钠)以及液态非金属(硫)。NGK 说，将这样很多模块连接起来，就可以制造能够存储“几兆瓦”的电池源。同样，威斯康星电力与照明公司声称他们已经2008 年12 月将一个超导磁体能量储存系统(SMES)——巨大的电池组——安装在CedarRidge 风力发电厂里，为了“让电网运行更加稳定”。SMES 系统在威斯康星大学的多年研究开发中，储存过由通过直流低温超导线圈产生的电流。
　　最终，研究学家希望大型的SMES 能量环(几乎相当于足球场大小)可以被用来存储千兆能量。这样的能量环花费不菲，因为再生系统达到超导低温的成本很高，但它95% 的能量都可以被利用，同时可使充电和放电的时间延迟最小化。
　　面临的挑战
　　除了极少数情况外，大多数电池存储技术的成功需要花费数年，同时成本惊人，还伴有技术难题。
　　不像可制造1.5 到1.6GW能量的核工厂，一个铅酸蓄电池最多只能制造100MW 的能量。

　　如今大多数的电池工厂的产能远远低于这个数字。“要储存那么多的能量在如今来说是个挑战。”Argonne 实验室的Crabtree 说道。“还没有一个好方法来解决这个问题，这样的观点已经存在20 年了。”
　　“这是一个非常非常棘手的问题。”美国麻省理工大学MIT的Sadoway 教授说道。他正在从事自己专有的巨型液体金属电池的设计，该电池大小为10×10×10 英尺。“问题不仅仅是储存量的大小。问题在于充电以及放电的能力。当用电高峰期到来的时候，你必须能够输送能量。”现在，专家们仍声明，如果没有储存能量的方法，风能和太阳能不能真正成为供电主力。从本质上来说，问题是风能和太阳能是可变化的，供电公司还不能将可变能源和可变的用户需求结合起来。
　　“所有的争论集中在将风能作为供电部门‘绿色能源’足迹所存在的技术难题，”Henn essy 说道。“这就是为什么供电部门推迟了风力发电厂的建造。”
　　大多数专家们处于能源存储的中立位置。他们表示，如果没有能源存储，国家将会更多的依靠煤炭和空气涡轮机发电，而取代可再生能源的平衡作用。
　　“如果必须采用更多的煤炭和气体发电来平衡风能，那么从环保的角度来说，就背道而驰了。”EPRI 的Mansoor 说道，“这就是为什么能源储存如此重要，这是最理想的平衡能源。”