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用太阳能存储在沙子中的供暖建筑物

Polar Night Energy是芬兰的一家初创公司，已开发出用于用太阳能生成的热量储存在沙子中的太阳能热量的技术。该团队使用热建模来优化其热量存储和分配系统的设计，这有助于芬兰城市减少其不可再生加热燃料的消耗。

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艾伦·佩特里洛（Alan Petrillo）
2022年2月

当我们试图客观地研究自然时，我们经常想起自然力量如何影响我们个人。我们可以坐在桌子上，考虑各种形式的热量，但是如果我们的脚趾很冷，我们可能会分心！当我们在房屋和工作场所加热时，我们必须在燃烧化石，天然气，煤炭和生物质等燃烧化石燃料的全球影响下平衡自己的温暖需求。人为的气候变化面临着人类面临的挑战：当我们试图防止将来世界过热时，我们现在如何保持温暖？

这是一个艰巨的问题，一个名为Polar Night Energy的初创公司在芬兰小而寒冷的国家（图1）试图回答。在一个以漫长而黑暗的冬夜而闻名的地区，Polar Night Energy正在坦佩雷市建造一个系统，该系统可以用存储的太阳能加热建筑物 - 整天，整夜和整个冬季。明显的矛盾并没有结束。在一个复杂的清洁技术解决方案时代，通常由稀有且昂贵的材料制成，Polar Night Energy的热量存储和分配系统由简单的管道，泵，阀门和沙子组成。该小说系统显示了解决患者，周到和人体缩放方式中全球问题的潜力。

一个有巨大供暖需求的小国家

大问题需要大解决方案，也许没有更大的21^英石- 比气候变化的问题。为了应对这一挑战，许多政府和组织正在投资新技术，以减少化石燃料的使用。这些举措主要集中在可再生电力发电，发电和存储上。

“当您向人们询问清洁能源时，他们会想到电力，” Polar Night Energy首席执行官Tommi Eronen说。“但是我们还必须减少供暖的排放。”在芬兰与能源相关的排放中，有82％来自加热国内建筑物（参考文献1）。埃罗宁说：“如果我们希望实现我们的全球气候目标，我们希望取代所有这些。”

全球思考，当地热量

与1960年代相关的咒语“全球思考，在本地行动”的精神与Polar Night Energy的创新者团队一起生活。他们的旅程始于其创始人Tommi Eronen和MarkkuYlönen提出的一个问题，当时他们是大学同学时：“是否有可能仅使用太阳能使用太阳能来建立能够自由和具有成本效益的嬉皮公社？”毕业后，他们编码为“嬉皮公社”的项目成为极地夜能，埃罗宁（Eronen）担任首席执行官，Ylönen为CTO。

最初的一项轻松（但严肃）的学生项目导致芬兰市坦佩雷（Tampere）的3 MWH/100 kW飞行员工厂开始于2020 - 2021年冬季运营。该系统使用电力加热空气，然后通过换水器循环，该交换机将水加热并将其分配给该市Hiedanranta区的多个建筑物（图2）。

在系统内部，电力电阻加热元件将空气加热至600°C以上。热空气通过一个充满沙子的热储存容器的管道网络循环。然后，热空气从容器中流回热交换器，在那里加热水，然后通过建筑加热系统循环。沙子的热量存储能力可确保，即使电阻元件凉爽，循环空气仍然足够热，可以使水（和建筑物）保持温暖。

“我们只有管道，阀门，风扇和电加热元件。这里没有什么特别的！”埃罗宁笑着说。

用沙子制成的电池

引用了著名的化学工程师唐纳德·萨德维（Donald Sadoway）的话说：“如果您想制作一个污垢的电池，就必须从泥土中取出。”Polar Night Energy的系统面临与任何其他能源基础设施相同的核心挑战。它必须在人们需要时向人们提供电力，并以可管理的价格供电。这意味着存储和分发能量与其一代一样重要。现有的基础设施以熟悉的方式应对这些挑战。对于基于燃烧的加热，将燃料和气体等燃料储存并移至可以燃烧的地方。电网还支持电力的有效分布，并利用通过风和太阳能等可再生能源产生的能量。然而，日光和强风的间歇性质是一个固执的问题。需要存储以维持整个可再生输入的峰值和山谷的稳定功率输出。但是，即使在电池技术方面取得了最新进展，电动电力仍然相对昂贵，尤其是在供暖建筑物所需的规模上。 What if, rather than storing electricity, a "battery" could store heat instead?

许多常规的加热系统已经通过保留和循环热水来存储和分发热量。Eronen和Ylönen认识到水基储热及其局限性的好处。埃罗宁说：“在水变成蒸汽之前，只有太多热量可以加入水。”“蒸汽可以有效地分发热量，但对于大规模存储而言，它并不是真正有效的。”为了避免在水中储存热量的缺点，它们转向沙子 - 42吨！（图3）太阳下山后，沙子的储存热量逐渐释放回循环的气流。这样可以使空气足够热，以保持水中流入客户散热器的水中的稳定温度。通过这种方式，即使在最黑暗和最冷​​的芬兰夜晚，沙子也可以使人保持温暖。埃罗宁说：“沙提供了水的储能能力的四倍。”“沙子效率高，无毒，便携，便宜！”

简单解决方案背后的复杂分析

成本效率是Polar Night Energy价值主张的基础。埃罗宁说：“一旦我们决定提出这个想法，我们就试图弄清财务状况。”为了使较少的事情做更多的事情，极地夜能长期以来取决于数值模拟工具。Eronen和Ylönen开始使用Comsol多物理学betvicror伟德2021欧洲杯^®作为学生的软件，它仍然是其设计过程不可或缺的。例如，埃罗南（Eronen）提到了扩展的热量存储系统的规格，该系统将为坦佩雷（Tampere）提供更多建筑物。该小组计算出，向35,000人提供热量的热量将需要一个充满沙子的储物缸，直径为25米，直径为40米。他们是如何到达这些维度的？Eronen解释说：“实际上，所需的粗糙材料数量很容易计算，因为我们知道我们可以在立方米的沙子中存储多少热量。”“我们还必须确定沙子和空气循环系统之间有效传热所需的空间（图4）。这很难做！我们使用了Comsolbetvicror伟德2021欧洲杯^®建模和评估不同的设计选项。”

多物理模拟软件有助于塑造极地夜能的热交换器设计（图5-6）。Eronen说：“我们建立了一个特殊的模型来探索一个设计思想：如果我们创建了一个被周围的热管包围的超热核，该怎么办？”通过对Comsol多物理学中的流体流量和传热效果进行建模betvicror伟德2021欧洲杯^®软件，Polar Night Energy团队可以量化其设计的比较优势和缺点。埃罗宁说：“模拟证实了'热核心的设计擅长在很长一段时间内储存热量。”他解释说：“但是对于我们预定的操作周期，在整个沙子存储容器中均匀分发热气管更有意义。”

Polar Night Energy的基于沙子的热存储系统的巨大规模使模拟软件必不可少。“我们不可能建立全尺寸的原型来测试我们的所有想法。我们需要预测性建模来回答尽可能多的问题，然后才能组装所有这些设备，以及所有这些沙子！”埃罗宁说。“对于我们来说，使用这些非常强大的工具至关重要。”

将新想法适应现有基础架构

通过将热量储存的任务与热量产生和分布分开，极性夜能使其系统更加高效和适应能力。将其填充的热量存储和转移系统改造为现有基础设施的潜力很大（图7）。坦佩雷（Tampere）是一个近25万人的内陆工业城市，是这项新技术的理想测试场。埃罗宁说：“像许多欧洲城市一样，坦佩雷已经拥有一个地区供暖系统，可以在整个社区中循环水。”他说：“这使我们能够将许多建筑物转换为可再生的热源。”Polar Night Energy在Tampere中的飞行员厂也可以从现有的电网上掌握电力，以及由新的太阳能电池板产生的电力。可靠的热存储使城市能够在最负担得起的情况下产生或购买电源，然后在最需要时分发热量。

今天：芬兰；明天：世界

自坦佩雷系统从2020 - 2021年冬季开始运行以来，极地夜能团队一直在收集数据以与他们的模型进行比较。埃罗宁说：“我们的模拟被证明非常准确，这令人鼓舞。”随着极地夜能团队继续发展他们的想法本地，他们的目标是采取行动全球也是。温暖芬兰漫长而寒冷的夜晚的技术也可以为世界其他地区提供更好的能源管理选择。负担得起的热量存储可以帮助行业和城市捕获当前浪费的热量，并平衡风能和太阳能输出的不一致之处。但是，尽管Polar Night Energy渴望直接与潜在客户合作，但他们意识到，未来的挑战对于他们来说太大了。

埃罗宁笑着说：“我们想许可这项技术。如果您经营一家发电厂，请与我们联系。”更严重的是，他补充说：“我们必须摆脱各种燃烧，甚至生物质。我们需要保护和恢复森林，以便它们可以继续从空中清除碳。由于气候变化的发生如此之快，我们希望我们的想法尽快传播。”

参考

芬兰统计，“ 2020年11月，芬兰的一半电力是用可再生能源生产的”。