沙电池：一种存储可再生能源的创新方式
芬兰的一家初创公司 Polar Night Energy 开发出了一种新技术，利用储存在沙子中的太阳能热量为建筑物供暖。该团队通过热仿真优化了热存储和热分配系统的设计，帮助芬兰的城市减少了不可再生的供暖燃料的消耗。
Polar Night Energy 公司的储热和分配系统由简单的管道、泵、阀门和沙子组成。这个新颖的系统具有以一种可持续的、全面的和人性化的方式解决全球问题的潜力。
从一个轻松（但严肃）的学生项目开始，最终 Polar Night Energy公司在芬兰城市 Tampere 建立了一个 3 MWh /100 kW 的试点工厂，并在 2020—2021 年冬季开始运行。该系统利用电能加热空气，空气通过一个交换器进行循环，将水加热并分配到该市 Hiedanranta 地区的多个建筑。
Polar Night Energy 系统的组件和运行周期示意图
该系统中，电能驱动的电阻式加热元件将空气加热到超过 600℃，热空气通过一个填满沙子的储热容器内的管网进行循环，水在这个过程中被加热后在建筑物供暖系统中循环流动。沙子的储热能力确保了即使在电阻元件冷却时，循环空气的热量仍然足够使水（和建筑物）保持温暖。
由沙子制作的热能电池
著名的化学工程师 Donald Sadoway 曾经说过：“如果你想制造一个廉价的电池，就不得不使用泥土”。Polar Night Energy 公司的储热系统也面临着与其他能源基础设施相同的关键性挑战。储能系统必须在人们需要的时间和地点，以可控的价格提供电能。这意味着电能的储存和分配与生产同样重要。现有的基础设施均采用了相似的方法来解决这一关键问题。对于以燃料为基础的供暖，可以将石油和天然气等燃料储存起来，并转移到可以燃烧的地方。电网同样支持电能的有效分配，并利用风能和太阳能等可再生能源发电。然而，一个棘手的问题是日光和强风属于间歇性能源，在可再生能源输入的高峰期和低谷期，需要储存能源来保持稳定的电能输出。但是，即使电池技术取得了最新进展，储存电能的成本仍然相对昂贵，特别是大规模的建筑物供暖需求。如果“电池 ”不是储存电能，而是储存热能呢？
许多传统的供暖系统通过储存和循环温水来储存和分配热量。研究人员看到了基于水储热的优点，但同时也意识到这种方式有一定的局限性。研究人员解释道：“在水变成蒸汽之前，能添加到水中的热量是有限的。蒸汽可以有效地分配热量，但对于大规模存储来说，它并不划算。” 为了避免水储存热量的缺点，他们使用了 42 公吨的沙子来替代水储存热量。当太阳落山后，沙子中储存的热量会逐渐释放回到循环气流中，这使得空气具有足够的热量使流过散热器中的水保持稳定的温度。即使是在芬兰最黑暗和最寒冷的夜晚，这种用沙子储存太阳能的方式能够为人们持续供暖。” 沙子的储能能力是水的 4 倍。沙子高效、无毒，可以移动而且便宜！” 。
简单解决方案背后的复杂分析
成本效益是 Polar Night Energy 公司的基本价值观。在追求以低成本获得高收益的过程中，Polar Night Energy 长期以来一直依靠数值仿真技术。COMSOL Multiphysics? 软件一直是他们设计过程中不可或缺的工具。
多物理场仿真软件帮助 Polar Night Energy 完成了他们的热交换器设计。通过在 COMSOL Multiphysics? 软件中对流体流动和传热效应进行仿真，Polar Night Energy 团队可以对换热器设计的相对优势和缺点进行量化。获 取 更多科技?前沿访问：https://byteclicks.com
Polar Night Energy 公司基于沙子的大规模的储热系统使得仿真软件不可或缺。
将新理念应用于现有的基础设施
通过将储热任务与生产和分配热能分开，Polar Night Energy 公司的储热系统变得更加高效且适应性强。将他们的填沙式储热和传热系统用于改造现有的供暖基础设施具有很大的潜力。拥有近 25 万人口的芬兰内陆工业城市 Tampere 是这一新技术的理想试验场。像许多欧洲城市一样，Tampere 已经有一个区域供暖系统，可以通过水循环为整个街区提供热能。这使我们能够迅速地将许多建筑转变为可再生热源。Polar Night Energy 在 Tampere 的试点基地还可以利用已有的电网电力，以及新兴太阳能电板产生的电能。可靠的储热系统使该城市能够以最低的成本发电或购买电能，并在最需要的时候分配热量。
自从 Tampere 的储热系统在 2020-2021 年冬季开始运行以来，Polar Night Energy 公司团队一直在收集数据，并与他们的模型进行比较。模拟已被准确验证，这是非常鼓舞人心的。随着 Polar Night Energy 公司继续在当地发展他们理念的同时，公司团队也计划在全球范围内采取行动。这项为芬兰漫长的寒夜带来温暖的技术，同时也可以为世界其他地区提供更好的能源管理选择。价格低廉的储热技术可以帮助工业和城市收集目前被浪费的热量，并且可以平衡风能和太阳能产出的不一致性。尽管 Polar Night Energy 公司期望与潜在客户直接合作，但他们也意识到，未来的挑战太大，他们无法独自应对。
该公司想授权这项技术。如果你经营一家发电厂，请与他们联系。
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