Теплоаккумулирование на солнечных энергоустановках. Солнечные энергетические установки. СЭУ. Подземные теплоаккумуляторы солнечной энергии

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

  • AT — аккумулятор тепла
  • АФП — аккумулятор тепла фазового перехода
  • ГТУ — газотурбинная установка
  • МОФ — материал с обратимыми фазами
  • ПВА — пароводяной аккумулятор тепла
  • ПТА — подземный теплоаккумулятор
  • ПЭУ — пиковая энергоустановка
  • СПГ — солнечный парогенератор
  • СТЭС — солнечно-топливная электростанция
  • СЭС — солнечная электростанция
  • СЭУ — солнечная энергетическая установка
  • ТАМ — теплоаккумулирующий материал
  • ТАС — теплоаккумулирующая система
  • ТПГ — топливный парогенератор
  • ТЭС — тепловая электростанция
  • ФЭП — фотоэлектрический преобразователь
  • ЦП — центральный приемник

Разработка аккумулятора тепла (АТ) для солнечной энергетической установки (СЭУ) должна производиться в зависимости от их назначения. При этом должны учитываться факторы, определяющие выбор метода и способа аккумулирования солнечной энергии.

Общие положения разработки аккумуляторов тепла на солнечных энергетических установках (СЭУ)

Солнечная энергетическая установка (СЭУ) должна обеспечивать непрерывную выработку электроэнергии при изменяющейся интенсивности солнечного облучения, в том числе и при его отсутствии. При этом технологический процесс в элементах и агрегатах солнечной энергетической установки в нормальных и аварийных условиях должен обеспечивать надежную работу СЭУ.

Исходя из этих требований проблема надежности солнечной энергетической установки решается в двух направлениях: установкой либо обычного топливного парогенератора (ТПГ), либо аккумулятора тепловой энергии. Первое направление следует рассматривать как этап на пути создания СЭС; но в связи с существующей тенденцией непрерывного роста стоимости органического топлива со временем основным решением проблемы надежного энергообеспечения от СЭУ будет теплоаккумулирование.

Учитывая важность аккумулирования тепла в США и в других развитых капиталистических странах, были созданы национальные программы по исследованию и разработке систем теплового аккумулирования с цепью выявления приемлемых из числа существующих технологий и возможности создания новых типов АТ для СЭУ.
Выбор метода и способа аккумулирования тепла на солнечной энергетической установке определяется типом солнечных установок, и, в первую очередь, зависит от схемы концентрации солнечной энергии и назначения СЭУ. Каждая система включает отражающие поверхности для концентрации солнечных лучей на ограниченную площадь теплоприемника, в котором лучистая энергия преобразуется в тепло и используется в паросиловом или в другом технологическом цикле (процессе).

В зарубежных странах разработка аккумулирующей системы для СЭУ, как правило, осуществляется в несколько этапов. На первом этапе изучается технологическая гибкость теплоаккумулирующей системы (ТАС) проводятся лабораторные эксперименты. Выявляются условия и требования к конструктивному исполнению ТАС и для наиболее перспективной системы на втором этапе проводятся более обширные эксперименты, которые в состоянии подтвердить работоспособность натурных образцов. На последующем этапе ТАС подключается к серийной или к экспериментальной СЭУ. На этом этапе завершается подтверждение работоспособности ТАС, и она доводится до состояния готовности включения в состав будущих и действующих солнечных энергетических установок.

До последнего времени почти все разработки в области теплоаккумулирования тепла в США проводились под руководством министерства энергетики США. Оно также принимало участие в ряде проектов, проводимых в других странах под наблюдением Международного агентства энергетики или под руководством правительств отдельных стран. Общие разработки ведутся по созданию ТАС в Италии, ФРГ, Франции, Японии, Великобритании, а также в других странах. В данном разделе выполнен аналитический обзор состояния проведенных и проводимых в СССР и за рубежом основных исследовательских разработок по созданию, освоению и эксплуатации ТАС в электроэнергетике и прежде всего в связи с созданием СЭУ. Рассмотрены факторы, определяющие выбор соответствующего метода аккумулирования тепла для конкретного применения. Рассматриваются отдельные решения и применения ТАС, дается краткое описание результатов экспериментальных исследований, направленных на совершенствование технологий теплоаккумулирования, и освещаются перспективные разработки, намечаемые на ближайшую перспективу.

Условия и факторы, определяющие метод и способ аккумулирования тепла на солнечных энергетических установках (СЭУ)

Метод теплоаккумулирования зависит от технологических характеристик и стоимостных показателей ТАС и режимных условий работы СЭУ. Стоимость ТАС определяется непосредственными капитальными затратами на АТ, ТАМ, используемый для накопления энергии Ктам, и в оборудование (Коб), обеспечивающее подвод и отвод тепла от АТ (в том числе теплообменники, насосы, трубопроводы, арматура, контрольно-измерительная аппаратура и автоматические устройства, а также другие приспособления, обслуживающие и обеспечивающие работу ТАС).

Общая стоимость ТАС определяется количеством запасаемой. энергии Эт, величина которой зависит от длительности цикла заряда:

Ктас = Эт (Кат + Ктам) + Коб.

Значение Ктас по ряду проектов составляет от 5 до 15-20% от капиталовложений в СЭУ. Учитывая, что ТАС может обеспечивать выдачу запасаемой энергии на разном уровне мощности, следует иметь в виду два обстоятельства. В тех случаях, когда ТАС относительно дешевая, то может быть оправдана выдача энергии за больший промежуток времени. Это фактически означает работу СЭУ в режиме постоянной нагрузки, т.е. в базисном режиме. Если ТАС относительно дороже, то более вероятно использование СЭУ в режиме выдачи повышенной мощности, т.е. возврат накопленной энергии от ТАС за более короткий промежуток, что соответствует использованию СЭУ в переменном режиме. В свою очередь нужно учитывать, что на затраты на ТАС характеристики ее могут оказывать более заметное влияние, чем сам процесс накопления тепла. Например, чем выше потери в ТАС, тем дороже отпускаемая энергия от ТАС. Поэтому, когда затраты на потери энергии в ТАС соизмеримы (или выше) с затратами собственно на ТАС, то использование таких аккумулирующих систем будет ограниченным или даже нецелесообразным. Другой важной характеристикой ТАС является температурный потенциал запасенного тепла. Для СЭУ предназначенных для отпуска тепла, температура на ее выходе определяется температурой теплопотребителя. В этом случае рассматриваются два типа ТАС: первый тип, когда ТАМ является одновременно и теплоносителем, что исключает необходимость применения зарядного теплообменника. При этом температура аккумулируемого и отпускаемого тепла практически одна и та же, независимо от того, отпускается ли оно непосредственно от теплоприемника или от аккумулятора. Второй тип ТАС предполагает передачу тепла от теплоприемника к ТАМ через теплообменник. В этом случае либо тепло, отпускаемое от ТАС, будет отводиться с пониженной температурой, либо в период заряда аккумулятора теплоприемник должен работать при более высокой температуре. Помимо этого, температурный уровень тепла, отводимого от аккумулятора, будет зависеть от вида технологии его накопления (физическое тепло, тепло обратимых фазовых превращений или обратимых химических реакций). Эти виды различаются по количеству запасаемого тепла в единице объема и объему аккумулирующего материала. При физическом наиболее простом и доступном методе тепло воспроизводится при низкой температуре, а из-за низкой плотности запасенного тепла для его хранения требуются большие емкости, поэтому в тепловом отношении этот метод уступает по эффективности двум другим видам технологии теплоаккумулирования. Однако в АТ на основе обратимых фазовых превращений или химических реакций температура подвода и отвода может ограничиваться свойствами либо теплоаккумулирующего материала (ТАМ), либо конструкционных материалов оболочек контейнеров (капсул), в которых осуществляется складирование тепла.

Независимо от характера температурного ограничения в ТАС от уровня воспроизводимого тепла будут зависеть и затраты непосредственно на СЭУ. Например, из-за снижения температуры отвода тепла от ТАС по условиям термостабильности ТАМ или по причине его коррозионного воздействия на оболочку капсул уменьшается тепловая экономичность СЭУ, и, как следствие, для отпуска заданного количества тепловой или электрической энергии требуется увеличить теплопроизводительность СЭУ и поверхность солнечных отражателей-концентраторов. Отсюда и стоимость СЭУ возрастает. Причем влияние этих ограничений на стоимость СЭУ будет тем заметнее, чем больше энергии будет воспроизводиться (отпускаться) теплоаккумулирующей системой, и особенно заметным это влияние будет для базисной СЭУ.

Важной характеристикой ТАС является удельная энергоемкость, которая является функцией свойств ТАМ, кинетики процессов подвода и отвода тепла и схемы преобразования и передачи запасаемой энергии потребителю. При высокой удельной энергоемкости, обусловленной свойствами ТАМ, заметно уменьшается емкость АТ, а при несложной технологии его изготовления дешевле обходится и сооружение ТАС.

Таким образом, учет вышерассмотренных факторов позволит в каждом конкретном случае выбрать наиболее рациональную и эффективную ТАС, способную выдавать тепло требуемого качества, На практике выбор способа аккумулирования тепла и характеристик АТ должен решаться с позиции экономичности в целом объединенной системы СЭУ и АТ, которая обеспечивала бы выдачу наиболее дешевой энергии и заданного качества и количества.

В перспективе наряду с отмеченными факторами, когда роль СЭУ и других типов энергоустановок на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ветер, градиент температур в среде и между средами и т.п.) при наличии в ее технологическом цикле ТАС в энергосистеме возрастет, надо учитывать системный фактор, в зависимости от которого будет происходить изменение режима работы и структуры оборудования генерирующих мощностей в энергосистеме.

Экспериментальные разработки аккумуляторов тепла для солнечных энергетических установок и основные результаты исследований

Разработка и внедрение АТ достаточно интенсивно начались с середины 70-х годов. В табл. приведены характеристики основных экспериментальных установок по отработке технологии аккумулирования тепла.

Основные эксперименты с аккумулирующими системами и подсистемами
Система/подсистема Принцип Аккумулирующий  агент Диапазон рабочих температур, °С Производительность, МВт·ч
Экспериментальная установка электрической мощностью 10 МВт (Ньюнан, Джорджия, США) Двухступенчатый с горячим и холодным баками Масло, расплав соли Hitec Масло — 238-295; соль — 270-482 1,6*
Экспериментальная установка электрической мощностью 10 МВт (Санта-Сизана, Калифорния, США) Двухагентный Thermocline Масло, гравий с песком 218-302 4,0*
Экспериментальная установка электрической мощностью 10 МВт (Барстоу, Калифорния, США) То же То же 218-304 28**
Система откачки воды из неглубокого колодца для ирригации (Уиллард, Нью-Мексико, США) Одноагентный Thermocline Масло 116-216 0,38**
Экспериментальный стенд по отработке средне температурных солнечных энергетических систем (Альбукерке, Нью-Мексико, США) Каскадные баки 241-309 0,86*
Экспериментальный стенд для испытания среднетемпературных солнечных энергетических систем (Альбукерке) Одноагентный Thermocline 243-311 0,21*
Солнечная энергосистема (Шенандоа, Джорджия, США) То же Кремнийорганическое масло 260-399 3,3*
СЭС электрический мощностью 0,5 МВт (Альмерия, Испания) Горячий и холодный баки Жидкий натрий 275-530 1,0**
Расплав соли азота (Альбукерке) Горячий бак с внутренней изоляцией и холодный бак Расплав соли 288-566 6,9*
Энергомодуль с печью Чекера (Нашуа, Нью-Хэмпшир, США) Thermocline с парой воздух — огнеупорный кирпич Кордиерит 704-927 0,02*
Приемник на тепловых трубах АТ (Эвендейл, Огайо, США) Трубчатые капсулы Фазоизменяющая соль 827 0,002*
СЭС THEMIS электрической мощностью 2,5 МВт (Таргасонн, Франция) Горячий и холодный баки Расплав соли Hitec 250-450 12**
СЭС СЕSA-1 электрической мощностью 1 МВт (Альмерия) То же То же 230-340 3**
СЭС Eurelios электрической мощностью 1 МВт (Адрано, о.Сицилия, Италия) Двухступенчатый, бак — паровой аккумулятор и горячий и холодный баки Вода под давлением, расплав соли Hitec Вода — 210. Соль — данных не имеется 0,36**
СЭС Sunshine электрической мощностью 1 МВт (Нио, преф. Кагава, Япония) Бак — паровой аккумулятор Вода под давлением 249 3**
СЭС Sunshine электрической мощностью 1 МВт (Нио) Двухступенчатый, бак — паровой аккумулятор и трубчатые капсулы Вода под давлением, фазоизменяющая соль Вода — 232; соль — 361 3**

На начальном этапе, начиная с 1975 г., в лабораторных условиях изучались технологическая гибкость АТ, вопросы совместимости и загрязняемости различных ТАМ. Первый эксперимент был осуществлен компанией Martin Marietta совместно с Технологическим институтом штата Джорджия (США). Установка представляла собой двухступенчатый теплоемкостный АТ тепловой мощностью 1,6 МВт. В первой ступени в качестве ТАМ использовалось масло, а во второй ступени перегрева эвтектическая смесь NaNO3 + NaNО2 + KNO3. Процесс подвода тепла осуществлялся по следующей схеме. Холодный теплоноситель из бака первой ступени нагревается в теплообменнике паром из приемника и поступает во второй бак. Отбор тепла осуществлялся при обратном процессе. Принцип работы масляной ступени аналогичен с принципом работы соляной ступени. В эксперименте поток пара от приемника для зарядки АТ и поток воды для разрядки имитировались с помощью подключения системы к линиям центрального отопления и водоснабжения в месте эксперимента (магистраль компании Georgia Power , Ньюнан, Джорджия).

Во втором эксперименте, проведенном компаниями McDonnel Douglas и Rockwell, использовался АТ производительностью 4 МВт•ч с двумя ТАМ: масло и песчано-гравийная смесь. Для хранения горячего и холодного ТАМ в одном баке использовался эффект Thermcline. В баке песчано-гравийная смесь увеличивает объемную плотность запасаемой тепловой энергии, что, с одной стороны, уменьшает объем в АТ дорогостоящей жидкости (масла), с другой — исключает перемешивание холодной и горячей сред в объеме АТ. Процесс аккумулирования производился нагревом холодного масла, забираемого из нижней части бака АТ, в теплообменнике — горячим паром из теплоприемника. Горячее масло поступает в верхнюю часть бака. Разрядка АТ производилась в обратном направлении. Зарядка АТ горячим паром имитировалась непосредственным нагревом масла в нагревателе при сгорании химического топлива, а при разрядке использовался теплообменник — парогенератор на месте экспериментального стенда компании Rockwell в г. Санта-Сузана.

На основе этих экспериментов с учетом оценки стоимостных и технических характеристик серийных СЭС для экспериментальной СЭС в Барстоу был выбран одноступенчатый масляно-гравийный АТ типа Thermocline. На рис. 1 приведена схема АТ типа Thermocline производительностью 28 МВт•ч.

Рис.1. Схема одноступенчатого масляно-гравийного аккумулятора типа Thermocline
для экспериментальной станции в Барстоу

1 — незаполненный объем; 2 — разветвленный трубопровод; 3 — изоляция;
4 — гравий + песок + масло; 5 — вспомогательный разветвленный трубопровод;
6 — охлаждающий трубопровод.

В 1982 г. в США введена СЭС в Барстоу мощностью 10 МВт с ТАС на основе масляно-гравийной среды энергоемкостью 520000 МДж. При зарядке ТАС пар из центрального приемника СЭС поступает в теплообменник, где происходит нагрев органического масла НТ-43 до температуры 304°С. Масла в свою очередь отдает тепло гравийному наполнителю, содержащемуся в цилиндрическом резервуаре диаметром 19,2 и высотой 13,4 м. Высота засыпки 12,5 м, доля свободного пространства 0,28, плотность засыпки 2700 кг/м3, соотношение песка и гравия 1:2. При разрядке ТАС масло отбирает тепло от наполнителя. Емкость АТ обеспечивает 4-часовую работу СЭС при выдаче электрической мощности 7 МВт. Были проведены исследования по измерению режимных параметров контуров накопления и потребления с цепью выявления теплового баланса ТАС. Кроме того, представлены данные напряжений в стенках резервуара и характеристикам, данные процесса разложения масла НТ-43, полученные в течение нескольких месяцев работы ТАС. Там же приводятся сведения об испытаниях в Альбукерке АФП энергоемкостью 2520 МДж. Успешное функционирование ТАС на СЭС в Барстоу послужило дальнейшему исследованию АТ, применяемых в традиционных схемах для получения тепловой и электрической энергии. Рассмотрены технологические аспекты применения АТ двух типов (масляно-гравийные и водяные с высоким рабочим давлением) и общие вопросы их экономической эффективности в традиционных схемах получения тепловой и электрической энергии.

В работе приведены результаты экспериментального исследования возможности и эффективности аккумулирования тепла в устройствах, в которых слой Thermocline в одно- или двухкомпонентной среде создается теплоизолирующей платформой, разделяющей высоко- и низкотемпературную зону. Назначение платформы — получение при разрядке АТ энергии на высоком температурном уровне. На основе этих экспериментов выявлены зависимости тепловой мощности АТ от времени цикла разряда и температурные профили на границе разряда при наличии теплоизолирующей платформы в сравнении с профилем для естественного Thermocline. Результаты свидетельствуют, что использование платформы позволит реализовать АТ с большей тепловой эффективностью, чем в случае естественного Thermocline.

В Японии, Италии, Испании, Франции введены СЭС с АТ. В японском проекте Sunshine предусмотрены два модуля СЭС, каждый электрической мощностью 1 МВт, В одном из них используется АТ с водой под давлением. При работе СЭС нагретая вода в солнечном теплоприемнике перекачивается в аккумулирующий бак под давлением. Для выработки электроэнергии вода из бака АТ подается на расширитель и превращается в пар пониженных параметров, затем он подается на паровую турбину.

В Японии одновременно проводились исследования по созданию комбинированного паросолевого АТ для СЭС модульного типа мощностью 1 МВт. Было проведено экспериментальное изучение характеристик АТ с ТАМ типа солевой смеси KF-LiF с температурой плавления 492 °С и теплотой фазового превращения 389 кДж/кг. На этой экспериментальной установке анализировались разные варианты конструктивного исполнения АТ, в частности один из них двухходовой теплообменник, межтрубное пространство которого заполнено смесью солей, в другом солевая смесь размещена в герметичных контейнерах трубчатой формы, помещаемых в корпус теплообменника. При этом контейнеры омываются паром. Во втором варианте эксперименты проведены с солевой смесью KCl-LiCl с температурой плавления 352 С и теплотой фазового превращения 245 кДж/кг. Первый вариант конструкции признан неприемлемым из-за значительных температурных деформаций.

На втором модуле СЭС проекта Sunshine вместо ЦП используются плоские зеркала и вторичные параболические концентраторы. Генерируемый пар поступает в двухступенчатый АТ. В первой ступени складируется вода под давлением, во второй нагревается фазоизменяющая соль (KCl-LiCl). При разрядке АТ горячая вода из первой ступени преобразуется в пар, который затем перегревается во второй ступени, проходя по трубкам, содержащим эвтектическую расплавленную солевую смесь. Работа двух модулей СЭС от АТ может продолжаться в течение 3 ч.

Рассмотрена модель ТА, предназначаемого для эксплуатации в диапазоне температур 516-584 К. Он представляет собой резервуар, заполненный теплоаккумулирующей средой массой ~ 1500 кг, представляющей собой двухкомпонентную неэвтектическую смесь калиевых соединений. Подвод и отвод тепла осуществляются за счет прокачки теплоносителя (масло типа НТ-43) через трубный пучок, размешенный в емкости аккумулятора. Тепловая эффективность ТАМ в вышеуказанном диапазоне температур обеспечивалась за счет теплоемкости и теплоты фазового перехода и составляла 410 кДж/кг. На этой модели исследовались режимы зарядки/разрядки при постоянном уровне теплопередачи и при циклических режимах с имитацией теплопроизводительности гелиосистемы по времени суток. На разработанной Математической модели получены были результаты, которые были сопоставлены с экспериментальными данными. Разработкой математической модели преследовалась цель отработки достоверного инструмента, позволяющего производить расчеты характеристик АТ подобного типа, не прибегая в дальнейшем к эксперименту.

На СЭС Eurelios электрической мощностью 1 МВт используется двухступенчатый аккумулятор, в основе которого сочетаются характерные черты японской ТАС и АТ компании Martin Georgia Technology (США). В первой ступени АТ в качестве ТАМ используется вода под давлением, а в ступени перегрева — расплав солей Hitec. Принцип работы ТАС состоит в следующем. Вода из основной ступени АТ преобразуется в пар, который перегревается во второй ступени, отбирая тепло от расплава соли. Особенность второй ступени — холодный и горячий расплавы соли содержатся в отдельных баках. Такой АТ обеспечивает работу СЭС в течение 0,5 ч.

В ведении университета штата Аризона (США) находится ТАС, которая работает в интервале температур от 200 до 288°С и обеспечивает выдачу электрической мощности 150 кВт в течение 6 ч. Эта ТАС, как и другие разработки, нацелена на отработку в лабораторных условиях многобаковой системы с маслом и АТ типа Thermocline. Последние проводились на экспериментальном стенде по отработке среднетемпературных СЭУ с ТАС в Альбукерке. ТАС имеет теплопроизводительность 0,86 МВт•ч. Каждый из трех одинаковых баков может использоваться в качестве горячего или холодного. На этой ТАС проведена программа испытаний по изучению тепловых потерь и отработке методов контроля при перекачке ТАМ из одного бака в другой. Там же исследовалась ТАС типа Thermocline. Первоначально оценивалась теплопроводность стенок сосуда из низкоуглеродистой стали для хранения горячего и холодного ТАМ. Обнаружено, что проводимость стенок при толщине 2,5 см вызывает большие тепловые потери и быструю деградацию Thermocline. В 1980 г. старый бак был заменен новым с толщиной стенки 0,48 см. Теплопроизводительность этого АТ составляла 0,21 МВт•ч. Причем бак был оборудован аппаратурой для регистрации тепловых потерь и снятия характеристик Thermocline. Испытания были завершены в 1981 г., а его результаты внесены в конструкторский справочник.

Однокомпонентные системы типа Thermocline были установлены на СЭУ (многоцелевой) в Шенандоа и СЭС в Альмерии. На СЭУ в США первоначально планировалось применить AT, в котором при зарядке или разрядке масло просачивается через аккумулирующий слой, отдает ему тепло и затем отбирает его. Достоинство такой системы в том, что в ней используется относительно дешевое твердое тело, а масло выполняет только функции теплоносителя. Однако оценка стоимости и уровня развития технологии привела к снижению емкости ТАС и к выбору в АТ однокомпонентного Thermocline. Объем АТ обеспечивает функционирование СЭУ в течение 1 ч. В коллекторе и АТ используется в качестве теплоносителя кремнийорганическое масло (Syltherm-800) в диапазоне температур от 260 до 399°С.

В проекте СЭС в Альмерии предусмотрены два модуля электрической мощностью по 0,5 МВт каждый. На одном из них используются охлаждаемые маслом параболоцилиндрические коллекторы, а на другом — охлаждаемый натрием ЦТ. На первом модуле масляный АТ типа Thermocline работает в диапазоне температур от 225 до 295 С, на другом теплоемкостный АТ на натрии работает от 275 до 530 С, причем холодный и горячий натрий находятся в разных баках. Объем обеих аккумулирующих систем обеспечивает работу СЭС на номинальном режиме в течение 2 ч.

На СЭС THEMIS в ТАС используется расплав солей Hitec, которая одновременно является теплоносителем. Емкость АТ позволяет получать энергию на номинальном режиме (электрическая мощность 2,5 МВт) в течение 5 ч. Наибольшая температура горячей сопи (450°С) выбрана по соображениям стабильности и минимального коррозионного эффекта.

Представленные выше данные об основных характеристиках ТАС, полученных по итогам экспериментальных исследований, позволили разработать и создать аккумулирующие системы для ряда экспериментальных СЭС, многие из которых уже вошли в строй и успешно эксплуатируются, в том числе благодаря надежной работе ТАС. Эти данные показывают, что на первых СЭС получили наибольшее распространение теплоемкостные АТ из-за простоты их изготовления и эксплуатации. В последние годы интенсивно ведутся работы по разработке технологии аккумулирования энергии на основе обратимых фазовых превращений, которая рассматривается как перспективное направление создания эффективных ТАС.

Состояние развития технологии теплоаккумулирования на основе фазовых превращений и теплоаккумулирующие материалы.

В результате успешного применения энергоустановок с использованием ТАС на основе материалов с обратимыми фазами (МОф), особенно в Великобритании и ФРГ, в последние годы активно начались работы по изучению, созданию и внедрению ТАС на основе фазоизменяющих материалов в США, Японии и других странах.
Так, проведены многочисленные исследования АТ для обоснования технологических и экономических условий их эксплуатации. Во Франции, в частности, изучались характеристики АТ емкостью 200 кВт•ч с использованием солнечной энергии при температуре рабочего агента 150°С. Были измерены теплофизические параметры и скорости фазовых превращений легкоплавких материалов в пределах от 100 до 150°С.

Для СЭС THEMIS проведены экспериментальные испытания, АТ, в котором в качестве ТАМ использована смесь солей (53% КN03 + 40%NaNО2 + 7%NaN03). Цель исследований — определение стабильности расплава солей и влияние их на коррозионную стойкость стали, из которой выполнен АТ, а также выявление динамических и статических характеристик его работы. Экспериментальная установка для изучения элементов АТ включала электронагреватель мощностью 150 кВт, теплообменник типа воздух — расплав солей, металлические баки и другие элементы, включая 2000 кг расплава солей.

Рассмотрены особенности технических характеристик ТАМ, температурные области применения различных ТАМ для АТ, используемых в различных отраслях промышленности: 100-250, 250-600 и более 600°С. Изложены результаты исследований характеристик ТАМ для температурного диапазона 100-250°С и представлены данные 76 перспективных ТАМ в интервале температур 100-500°С.

Кроме того, приводятся массовый и молярный состав, температура плавления, плотность энергии и другие характеристики. Даны также сведения о конструкции АТ с ТАМ — полиэтиленом высокой плотности в капсулах диаметром 4 и высотой 450 мм, упакованных в емкость диаметром 600 и высотой 2000 мм, общей массой 260 кг, энергоемкостью 30 кВт*ч, с ТАМ состава С (СН20Н)4, (NaOH-KOH, NaOH-LiOH, LiOH-КОН), а также конструкции АТ для температур 250-500° С с ТАМ на основе эвтектических систем NaOH-NaNO3 и Na0H-NaN02, используемые для выработки электроэнергии в часы пик с выдачей электрической мощности 200 МВт в течение 6 ч непрерывной работы.

В работе приведен обзор существующих ТАМ, применяемых в АТ с фазовыми превращениями для интервала температур 5-15, 30-60 и 80-120°С. Даны химический состав, температура плавления, теплота фазового превращения и другие параметры. Приведены конкретные примеры использования ТАМ состава Na2SО4-10Н2О; CaCl2*6H20; NaCH3СОО*ЗН2О, а также примеры систем и АТ, используемых для кондиционирования воздуха в помещениях: ТАМ состава NaCH3COO*3H2O — масса 234 кг, температура плавления 58 С, объем одной емкости 6,88 м3, масса 6,1 кг, число емкостей 29, толщина теплоизоляции 75 мм, общие размеры 1000х2300х1800 мм, общая масса 3070 кг, общая теплоемкость 13000 ккал, тепловые нагрузки в летнее время 140, в зимнее — 390 ккал/ч.

В ряде работ приводятся результаты теоретических и экспериментальных АФП. В частности, даны аналогичные результаты для температур фазового превращения на уровне 627-727°С при удельной теплоемкости ТАМ 1,25-4,25 ГДж/м . Для солевой эвтектики LiF (64%) — MgF (30%) — KF (6%) выявлены следующие теплотехнические параметры: температура плавления — 710, кристаллизации 671 С, удельная теплота фазового превращения 782 кДж/кг и коэффициент температуропроводности.

По данным, использование фазовых переходов гидратов солей осложняется рядом физико-химических процессов (переохлаждение, неравновесное плавление, низкая теплопроводность) для аккумулирования солнечной энергии. Эти трудности решаются в двух направлениях: создание динамического процесса за счет вращения цилиндра, заполненного гидратом сопи, что позволяет улучшить теплопередачу и снижает до минимума расход кристаллизирующего агента; в статическом процессе зерна кристаллизатора рассредоточиваются по объему емкости АТ с помощью стабилизирующей коллоидной структуры и сгустителя. Были изготовлены различные типы теплообменников АТ емкостью от 0,01 до 1,5 м3, на которых проведены серии экспериментов, в частности с глауберовой солью.

Рассмотрены характеристики гексагидрата хлорида кальция, декагидрата сульфата натрия и додекагидрата динатрий гидрофосфата как наиболее исследованных материалов.

Основными недостатками этих гидратов являются неоднородность плавления, тенденция к переохлаждению и постепенное сокращение количества восстанавливаемого тепла за счет кристаллизации и отложения вещества на поверхности теплообмена. Устранение этих недостатков осуществляется введением химических добавок, например солей стронция в гексагидрат хлорида кальция.

Ведутся поиски и создание новых композиций солевых смесей с целью возможности их использования в качестве ТАМ в ТАС. Предложена солевая теплоаккумулирующая смесь, включающая хлориды лития, калия и рубидия. Для обеспечения работоспособности смеси при температуре 265+-2,5°С она содержит хлорид цезия при следующем соотношении компонентов (в %): хлорид калия 13,7-14,1, хлорид рубидия 13,3-13,5, хлорид цезия 43,5-44,5, остальное-хлорид лития. Дан состав теплоаккумулирующей солевой смеси, состоящей из фторидов лития и калия, работоспособной в интервале температур 422-426 С за счет дополнительного содержания хлорида и карбоната калия при следующем соотношении компонентов (в %): фторид лития 17,6-17,7, фторид калия 33,2-33,8, хлорид калия 8,6-8,7, карбонат калия 40,0-40,4.

Предложена методика определения скрытой теплоты плавления для эвтектических смесей. Даны критерии для выбора ТАМ. На основе обобщения сведений по свойствам ТАМ отмечается, что гидраты солей с экономической и технической точки зрения наиболее приемлемы для аккумуляции солнечного тепла.

Однако в связи с широким диапазоном температурного потенциала тепла, потребляемого в разных производствах, возникает дальнейшая необходимость в подборе соответствующих ТАМ. Несмотря на большое многообразие химических соединений и смесей, обладающих скрытой теплотой, большая часть из них исключается по соображениям безопасности и экономичности и из-за несоответствия физических, химических и тепловых свойств. Проблема использования ТАМ состоит в том, что возникает целый ряд вопросов, которые порождают технические трудности реализации АФП. Среди них следует отметить переохлаждение, сегрегацию, коррозию, изменение объема и массовое производство оболочек контейнеров для ТАМ. Условием целесообразности использования ТАМ является соответствие температуры фазового перехода рабочей температуре теплопотребителя при высокой теплоте плавления. Ряд из ТАМ имеют неконгруэнтный или полуконгруэнтный режим плавления.
Это ведет к снижению емкости теплоаккумулирования. Использование кристаллизаторов у таких ТАМ уменьшает теплопередачу в процессе плавления. Поэтому конгруэнтно плавящийся ТАМ, хотя и с меньшей теплотой плавления, является одним из лучших.

Большим препятствием на пути использования ТАМ в АФП является обеспечение технически приемлемых изменений объема, оказывающих воздействие на корпус оболочек ТАМ или контейнеров, в которых размещаются ТАМ. Одно из возможных направлений — использование эластичных материалов для оболочек в сочетании с компенсирующими устройствами объемных изменений.

Разработки и исследования по использованию ТАМ в АФП показали, что эффективность ТАМ в значительной мере зависит от уровня переохлаждения ниже температуры фазового перехода и от проявления расслоения фаз (сегрегации) при росте кристаллов. Чтобы теплота фазового перехода использовалась более полно, необходимо добиваться минимального переохлаждения при кристаллизации ТАМ. Выход видится в создании условий быстрого протекания процесса кристаллизации, например, за счет добавок, способствующих ускорению этого процесса. Явление сегрегации снижает уровень теплообмена между твердой и жидкой фазами. Решение этого проблемного вопроса считается эффективным, если достигается постоянное движение жидкого ТАМ во время образования кристаллов. Таким решением может быть динамический теплоаккумулятор, выполненный в виде двух концентрических цилиндров: внешний — фиксирован, а внутренний — подвижен (2-4 об/мин). Такой принцип обеспечивает хорошее перемещение фаз и исключает сегрегацию. В ряде работ рассматриваются различные конструктивные исполнения АФП.
Предлагается один из вариантов конструкции кристаллизатора. АФП представляет собой теплоизолированный объем, в нижней части которого находится расплав ТАМ.
В объеме АФП расположен вращающийся барабан. К нему осуществляется подвод и отвод нагреваемой среды. Барабан установлен так, что часть его расположена под уровнем расплава ТАМ. При зарядке барабан вращается, и на верхнюю часть его внутренней поверхности разбрызгивается нагреваемый теплоноситель. На наружной поверхности барабана происходит кристаллизация ТАМ за счет отвода тепла к теплоносителю.

С поверхности барабана застывший ТАМ снимается ножом и в виде, чешуек поступает слоем на трубную решетку. Во время зарядки в трубы решетки подается нагретый теплоноситель от солнечного источника энергии или тепло от любого другого источника. В процессе зарядки ТАМ расплавляется и поступает в объем АФП.
В связи с проблемой переохлаждения необходимо стремиться к выбору разности между температурами плавления ТАМ и рабочего тела в пределах 5-10°С. Это снижает тепловые потери и степень переохлаждения ТАМ и в то же время этого достаточно для обеспечения хорошей теплопередачи при отборе тепла от ТАМ. Выявлено, что переохлаждение на уровне 5-10°С практически приводит к прекращению теплоотвода. Даже при отсутствии переохлаждения в случае низкой скорости кристаллизации уровень теплоотвода становится незначительным. Поэтому одной из важных задач является поиск средств, способствующих быстрой скорости образования кристаллов.

В ряде работ рассматриваются вопросы решения задач аккумулирования и экспериментальной проверки методики на основе МОФ. В частности, теоретически рассмотрена задача о динамике фронта плавления внутри цилиндрической капсулы АТ, использующего воду и октан в качестве изменяющего агрегатное состояние материала. Рассмотрен случай больших чисел Рэлея. Показано, что определяющим фактором, влияющим на теплообмен и на движение меж фазового фронта, является естественная конвекция. В нижней части цилиндра с течением времени появляется тепловая неустойчивость и набор вихрей, существенно влияющих на процесс плавления.

Проводилась проверка на прототипе АТ, в котором использованы МОФ, в частности парафин. Исследованиями на экспериментальной установке показано, что основной причиной неверных результатов (КПД>100%) является некорректность используемых уравнений, характеризующих потери тепла в АТ. В них не учитывается изменение потерь времени.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование термических характеристик теплоаккумулирующего элемента с оребренным кольцевым погружным теплообменником. Его действие основано на поглощении низкотемпературного тепла при плавлении ТАМ, используемого в качестве рабочей среды. Разработан численный метод решения двумерного нестационарного процесса передачи тепла в гомогенной среде. Исследовано влияние числа и толщины ребер, наружного диаметра, типа ТАМ и материала теплообменника.

Предлагается численный метод решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа совместно с граничными и начальными условиями для цилиндрического АТ с конвективной теплопередачей по периферии цилиндра. Методика позволяет определить изменение температур и перемещение фронта фазового превращения во времени.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к ТАМ, является его химическая стабильность и совместимость с конструкционными материалами. Реакции окисления, теплового разложения, гидролиза и др. могут стать барьером при его использовании в качестве ТАМ. Кроме того, ТАМ должен быть инертен к материалу оболочки, в котором он содержится. Могут оказаться неприемлемы ТАМ, если для их хранения требуется весьма дорогой материал. Одновременно ТАМ должен быть безопасен с точки зрения токсичности, коррозионности, а также пожаро- и взрывоопасности. При использовании ТАМ для целей тепло- и холодоснабжения, кроме того, должны быть обеспечены приемлемые условия безопасности, если абсолютная безопасность невозможна.

Аккумулирование тепла на основе фазовых превращений обладает двумя недостатками в экономическом плане. Во-первых, стоимость чистых ТАМ выше стоимости традиционных теплоемкостных веществ (вода, камни, гравий), во-вторых, теплообмен в АФП требует развитых поверхностей, что также повышает его стоимость. Поэтому выбор ТАМ должен производителен не столько с учетом его стоимости, сколько эффективности АФП при приемлемых затратах на него и доступности химикатов и сырья, из которых изготовляются ТАМ и оболочки для капсулирования.

При разработках собственно устройств с ТАМ следует исходить из того, что емкость АФП зависит от удельной теплоты плавления и в меньшей степени — от теплоемкости. Знание этих процессов важно как для разработки самих ТАМ, так и для конструирования АФП. Другие недостатки ТАМ, которые отмечались, технически преодолимы.

К настоящему времени наибольшее распространение получили АФП для целей тепло- и холодоснабжения. Более интенсивно разработки ТАС на основе МОФ ведутся с начала 70-х годов в США, Японии и промышленно развитых странах Западной Европы. В 1973 г. при университете штата Делавэр в США создана установка, для которой разработаны аккумулятор тепла и холода. В качестве МОФ в АТ используется пентагидрат гипосульфита натрия, а для холода — смесь глауберовой сопи, буры, хлоридов натрия и аммония. Тепловая емкость АТ 1,5, а аккумуляторов холода 0,45 МДж. Установка работает по настоящее время в качестве демонстрационной установки.

В 1975 г. управление энергетических исследований и разработок министерства энергетики США организовало группу при университете штата Виргиния для оценки результатов по разработке МОФ для АТ и холода. Признано необходимым создать справочник, который должен включать термодинамические свойства, информацию о тепловых свойствах и кинетике фазовых превращений, а также целый ряд других сведений, необходимых для разработки МОФ, а на их основе — АФП. С 1976 г. ведутся новые разработки и исследования по поиску МОФ с лучшими свойствами. Например, фирма Dow Chemical Со. (США) разрабатывает новые МОФ на основе гексагидрата хлористого кальция.

В Rensselaer Polytechnic Institute (США) подготовлены данные для неорганических эвтектик, плавящихся при температурах от -138 до 2700 С, и включены в справочник Национального бюро стандартов. Для температурного диапазона от 100 до 300 С разработаны МОФ на основе борной кислоты и эвтектики нитрата лития с гидрооксидом лития, запатентованные фирмой Dornier System (ФРГ).

Проводятся исследования АТ на скрытую теплоту растворения. Лучшие из АТ обладают высокой эндотермической теплотой растворения, высокими температурными коэффициентами растворимости и теплоемкостью в 5 раз превышающей теплоемкость воды. Конструктивно АФП более эффективен с точки зрения теплопередачи, когда теплообменник выполняется с непосредственным контактом сред типа жидкий раствор — несмешивающаяся жидкость. Большое внимание уделяется разработке МОФ с превращением из одного твердого состояния в другое. Были открыты комплексные соединения с температурой обратимого фазового перехода от 14 до 185 С с теплотой перехода до 455 кДж/кг, но у самых распространенных из них теплота перехода порядка 130 кДж/кг.

В настоящее время проявляется все возрастающий интерес к разработке АФП с МОФ во всем мире, что является доказательством необходимости в надежных и компактных АТ на основе эффективных изотермальных сред.

Основные направления совершенствования теплоаккумулирующих систем для солнечных энергетических установок и перспективы их применения

Солнечные энергетические установки обладают большими термодинамическими возможностями особенно при наличии в ее составе ТАС, когда СЭУ подключается к потребителю через АТ. Если КПД ТАС на СЭУ Eurelios и СЭС в Барстоу не превышает 70%, то КПД ТАС на СЭС CRS на жидком натрии превышает 90%. Высокий КПД ТАС обеспечивается за счет использования в качестве теплоносителя, проходящего через теплоприемник, таких веществ, как натрий или расплав соли, которые одновременно служат как ТАМ. Высокий КПД ТАС достигается, если в качестве ТАМ применять огнеупорный кирпич, керамику, а в качестве теплоносителя — воздух, газ.

Успешно разрабатываются теплоемкость АТ на базе солей азота, в частности на смеси солей NaNO3-KNO3. Ее достоинства: недорога, обладает высокой плотностью запасаемой энергии и работает при достаточно высоких температурах. Компания Martin Marietta разрабатывает ТАС на основе расплава нитратов, причем горячая соль (566 С) будет храниться в облицованном огнеупорном материалом баке с внутренней теплоизоляцией (рис.2), а холодная соль (288 С) — в баке из углеродистой стали, которая также защищена внутренней теплоизоляцией. Внутренняя облицовка выполнена из непроницаемых для жидкости вафельных мембран, аналогичных используемым для хранения сжиженного природного газа. Проведенные испытания данной ТАС в Альбукерке, в том числе на усталостную прочность облицовки, успешно завершились в 1982 г.

Рис.2. Экспериментальный бак для хранения горячего расплава соли:
1 — облицовка; 2 — внутренняя теплоизоляция;
3 — охлаждаемое водой основание.

Компании Boeing и Sanders Assoc. (США) завершили разработку АТ с использованием пористой керамической матрицы в качестве ТАМ, через которую для отвода и подвода тепла прокачивается воздух. Керамический материал (оксид алюминия или магния) хранится в баке под давлением и нагревается до 816 С от газоохлаждаемого ЦП. Для параболоидных концентраторов разрабатываются АТ, действующие по принципу накопления скрытой теплоты с последующим ее использованием в двигателях с циклами Ренкина, Брайтона, Стирлинга, которые монтируются совместно с АТ на концентраторах и выполняются в виде интегральной конструкции приемник — аккумулятор с объемом накопленной энергии, достаточным для работы только в короткий промежуток времени. Завершена разработка эскизных проектов экспериментальной конструкции и некоторых элементов таких аккумуляторов для работы в СЭУ с параболоидными концентраторами по вышеперечисленным циклам. В Jet Propulsion Lab. (США) ведутся работы по изучению теплопередающих и коррозионных свойств солей для рассмотренных АТ.

Для экспериментов с небольшой СЭУ (электрической мощностью 0,1 МВт) была предложена конструкция АТ с МОФ (рис.3), расположенным внутри стенок теплоприемника. Эта установка будет состоять из поля параболоидных крупных концентраторов с расположенными на них двигателями Ренкина, работающими на органическом топливе.

Рис.3. Конструкция приемника-аккумулятора для параболического круглого
концентратора и двигателя Ренкина на органическом топливе:

1 — сегментные контейнеры с различными МОФ;
2 — стальные трубки для прохода толуола;
3 — жидкий толуол; 4 — перегретый пар толуола;
5 — изоляция приемника; 6 — медная полость.

Анализ состояния развития ТАС в составе СЭУ определил не только область их применения, но и пути их совершенствования. ТАС первого поколения обладают относительно высоким КПД (70% для непрямых систем и более 90% для прямых). Исходя из этого, усовершенствование ТАС с точки зрения повышения КПД не приведет к его сколько-нибудь заметному росту. Поэтому основное внимание должно быть сосредоточено на снижении их стоимости. В этом отношении перспективными
являются теплоемкостные АТ, для которых поиск недорогих ТАМ — одна из непростых задач. Даже АТ с расплавами нитратов, являющиеся наиболее экономичными системами, выиграли бы от совместной работы с недорогими ТАМ, например гравием. При этом необходимо иметь в виду, что сочетание жидкого расплава с гравием должно исключать деградацию солевой системы при длительной совместной работе.

В АТ по прямой схеме (имеется в виду, что аккумулирующая среда одновременно и теплоноситель) достигается более высокий КПД, так как отпадает необходимость включения теплообменника в контур ТАС. В этих схемах основной проблемой является выбор инертного в коррозионном отношении и дешевого ТAM-теплоносителя. К настоящему времени выявлено, что наиболее приемлемыми являются расплавы солей (нитратов) как для хранения тепла, так и для его отвода и передачи. Жидкий натрий менее эффективен для аккумулирования тепла из-за низкой его теплоемкости (в 3 раза ниже, чем у воды) , но обладает приемлемыми свойствами, необходимыми для отбора тепла. Кроме того, он относительно дорог. Отсюда поиск эффективных ТАМ-теплоносителей для ТАС, реализуемых по прямой схеме, не должен прекращаться. Одновременно предстоит разрабатывать емкости для аккумулирования тепла с обеспечением эффективного хранения и отвода его из АТ.

Существуют опасения, что СЭУ, реализуемая по прямой схеме, может оказаться Экономически неоправданной из-за высокой стоимости ТАМ — теплоносителя и ТАС. В этом случае между солнечным теплоприемником и АТ выгодно будет установить недорогой промежуточный теплообменник. Для теплообменников в традиционных схемах для зашиты их от высокотемпературной коррозии используются, дорогие сплавы, поэтому для СЭУ необходимо изыскивать новые виды теплообменников.

Под научным руководством NASA в США разрабатывается и исследуется высокотемпературный теплообменник с прямым контактом между ТАМ и теплоносителем.

Конструктивно предусматриваются три модуля (свинцовый, солевой и контактный), соединенных между собой двумя раздельными трубопроводами: один для ТАМ на основе обратимого фазового превращения, а другой для жидкого теплоносителя. Теплоноситель инжектируется в верхнюю часть теплообменной колонки (контактный модуль), нагревается, проходя вниз по колонке, и откачивается из нижней части к поглотителю тепла. Расплавленный ТАМ в свою очередь поступает в нижнюю часть колонки и передает тепло жидкому теплоносителю, поднимаясь при этом вверх противотоком. Твердые капли соли, достигая верхней части теплообменной колонки, пересыпаются через край и падают в бак, окружающий колонку. При зарядке твердый ТАМ расплавляется и поступает назад в контейнер для складирования жидкой соли и хранится до цикла разрядки. Эффективность этой системы требует проверки и для этого необходимо проведение дальнейших исследований.

Рис.4. Высокотемпературный теплообменник с прямым контактом:
1 — теплоизолированная стенка; 2 — канал горячего газа;
3 — подача расплава под давлением; 4 — выход горячего газа;
5 — перегородка с форсунками; 6 — дроссель давления;
7 — выход твердых шариков в дополнительную емкость; 8 — вход горячего газа.

Рис.5. Схема перспективной высокотемпературной СЭС:
1 — поле гелиостатов; 2 — приемник излучения;
3 — тугоплавкие шарики (расход 520 т/ч); 4 — расплав окислов;
5 — аккумулирующая емкость (производительность 8640 МВт*ч, емкость 250000 т, объем 10400 м3);
6 — аргон (давление 2 МПа, расход 1510 т/ч); 7 — теплообменник высокого давления;
8 — выход шариков из теплообменника; 9 — генератор; 10 — турбина;
11 — компрессор; 12 — низкотемпературный теплообменник.

В более серьезных разработках нуждаются высокотемпературные АТ (при температурах 800°С и выше). Емкости для теплоносителя и собственно теплообменники, способные выдерживать такие температуры, довольно дороги. При использовании прямой схемы, когда теплообмен осуществляется между теплоносителем и ТАМ (например, керамика), емкость АТ должна выдерживать высокое давление горячего газа. Предстоит поиск новых решений с цепью создания высокотемпературных ТАС. Одним из вариантов может быть комбинированная ТАС, состоящая из АТ и теплопровода. Тугоплавкие шарики из сложных оксидов (40% SiО2, 20% MgО, 35% СаО и 5% Al2О3) подают в солнечный теплоприемник, где они плавятся и затем перекачиваются в емкость АТ (рис.4 и 5). При отборе тепла расплав подается в теплообменник высокого давления. В нем расплав распыляется в поток рабочего газа под высоким давлением и отдает ему тепло, а сам затвердевает. Нагретый газ поступает в турбину, а твердый расплав в виде шариков остается на дне теплообменника. Эта система экономически обоснована, но некоторые ее базовые принципы еще нуждаются в проработке и подтверждении работоспособности.

Другой вариант создания высокотемпературной ТАС — использование принципа накопления энергии с помощью теплоемкости и теплоты фазового превращения ТАМ. Например, ТАМ удерживается в пористой керамической матрице за счет капиллярных сил. Эксперименты подтверждают, что в таких матрицах при температуре 700°С удерживается до 65% расплава солей (щелочных карбонатов). Гибкость технологии изготовления натрия, например в виде композиционных таблеток, кирпичей и т.п. позволит исключить теплообменные трубчатые поверхности благодаря осуществлению прямого контакта теплоносителя и ТАМ, однако это направление требует дальнейших исследований о целью доказательств технологических и экономических преимуществ и выявления ограничений данного метода аккумулирования тепла.

ТАС, реализуемые на основе МОФ, обладают двумя недостатками с экономической точки зрения. Во-первых, стоимость ТАМ в большинстве случаев много выше стоимости традиционных теплоемкостных материалов (вода, камни и т.д.). Во-вторых, из-за вышеупомянутых особенностей организации подвода и особенно отвода тепла от МОф требуется развитая поверхность теплообмена, а это, как правило, связано с ростом стоимости АТ. Поэтому ТАС, в которых теплообмен осуществляется в результате прямого контакта МОФ и теплоносителя является одним из перспективных направлений в решении данной проблемы.

Однако это не исключает изучение других типов АТ на основе МОФ. В частности, привлекает внимание новый тип АТ на основе МОФ, который может работать совместно с приемником, производящим насыщенный пар, и участвовать в производстве технологического тепла. На рис.6 представлен модуль АТ с МОФ. Емкость АТ выполнена в виде прямоугольного бака из углеродистой стали с внешней изоляцией, содержащей пять трубчатых сборок. Каждая из них состоит из 15 отдельных труб, выполненных в виде змеевиков. Последние, поддерживаются каналами из углеродистой стали и разделены каналами из алюминия, которые служат для повышения теплопроводности, В качестве ТАМ используется солевая смесь, состоящая из 18,5% NaNО3 и 81,5% NaOH, с температурой плавления 256°С. Аккумулирующий модуль заряжается от пара, который конденсируется при температуре 288°С. При разрядке модуль АТ генерирует сухой пар с температурой 232°С, Теплопроизводительность АТ составляет 19 МВт*ч. Для создания такой ТАС требуется проработать ее отдельные элементы и узлы.

Рис.6. Теплоаккумулирующий модуль на основе скрытой теплоты фазового превращения:
1 — коллектор входа и выхода;
2 — фазоизменяющий материал (смесь солей NaOH-NaNO3);
3 — пакет труб.

Перспективной областью применения ТАС представляется использование солнечной энергии для производства тепла и холода. В отчете по заказу министерства энергетики США приведена информация о 300 действующих в США и Канаде тепло- и холодоаккумулирующих установках. К наиболее распространенным ТАМ относятся вода, лед, песок, кирпич. Вода и песок используются в 88% всех установок в США: вода под давлением — в 55% водяных теплоаккумулирующих установок и в 75% установок с комбинированным производством тепла и холода.

Предложен аккумулятор солнечной энергии, выполненный в виде устройства, в котором твердые аккумулирующие частицы омываются нагреваемым теплоносителем (газом) снизу вверх. Частицы находятся во взвешенном состоянии, а в стенке сосуда, являющегося также поглотителем солнечной энергии, предусмотрено не менее одного отверстия, через которое солнечное излучение проходит в полость.

Аккумулятор представляет собой закрытый и заполненный жидким ТАМ сосуд емкостью в несколько тысяч литров. Внутренний объем его разделен по высоте на несколько зон, в которых расположены теплообменники, соединенные трехходовыми вентилями с циркуляционным контуром, по которому к ним подводится нагретый теплоноситель. В качестве жидкого ТАМ могут использоваться воды, растворы различных солей и т.п. В каждой из упомянутой зон имеются теплообменники для отвода запасенного тепла к потребителю. Предусмотрен также теплообменник, размещенный в сосуде АТ, который соединен с водогрейным котлом и теплонасосной установкой. Этот теплообменник размещается в верхней части сосуда. Температура воды от нижней к верхней зоны изменяется от 40 до 80 С.

Вода, нагреваемая в коллекторе солнечной энергии, подается в зависимости от ее температуры в верхнюю или в нижнюю часть АТ. Регулирующий клапан пропускает воду от коллектора к АТ, если температура ее превосходит расчетную. Иначе она проходит через байпас с ограничением расхода. Другой регулирующий клапан направляет воду в один из двух патрубков также в зависимости от ее температуры. Патрубки, снабженные расширителями, находятся один в нижней, другой в верхней части АТ. Скорость выхода воды из патрубков снижается в такой степени, что она не вызывает интенсивного перемешивания слоев. Вода отбирается из верхней части АТ с температурой 27 °С и подается в его нижнюю часть.

В последние годы активно ведутся также исследования по изучению процессов и тепловых эффектов обратимых химических реакций и возможности создания термохимических АТ. Рассматриваются перспективы использования таких АТ в системах бытового обслуживания. При осуществлении эндотермической реакции расходуется солнечная или другой вид энергии (атомное, сбросное тепло и т.п.). В отопительных установках выделяемое при экзотермической обратной реакции тепло служит для нагрева воды. Даются сведения о перспективности способа аккумулирования тепла на основе каталитических обратимых химических реакций гидрогенизации циклогексана с тепловым эффектом в 206 кДж/моль. Достоинства этой системы: высокая степень обратимости, высокая плотность аккумулирования анергии, легкое разделение продуктов реакции, возможность аккумулирования энергии в период времени от суток до сезона. Тепло запасается при температуре от 470 до 770 К и отводится (гидрогенизация) от 423 до 723К.

В ряде работ предлагаются способы и различные решения по разработке термохимического АТ. Патентуется способ и устройство для аккумулирования тепла с помощью гидратов соли. Первичный теплоноситель при температуре 163-204°С пропускают через рекуперативный теплообменник в бункере, который заполнен гидратом сопи (CaS04*0,5H2О).

В результате дегидратации, проходящей с поглощением тепла, вода испаряется и пары удаляются из бункера. При гидратации вода подается в бункер и выделяемое тепло передается вторичному теплоносителю (например, воздух), пропускаемому через бункер, при температуре 107-163 С. Вода при гидратации добавляется в количестве 6,6% от массы CaS04. Такой термохимический АТ может использоваться на СЭУ. Параллельно ему рекомендуется применять второй водяной АТ с теплообменником, выполняющим роль конденсатора пара, выделяемого при дегидратации с температурным уровнем 100-107 С. Применение водяного АТ вдвое повышает аккумулирующую способность всей системы, а также КПД.

Разработан способ для аккумулирования тепла, преимущественно на солнечных и геотермальных установках, и устройство для его осуществление. Этот способ основан на тепловом эффекте химической реакции гидратация — дегидратация гидратных солей многовалентных металлов (алюминия, бериллия, магния, железа, кальция и цинка) на основе кислот типа соляной и серной. Тепловой эффект составляет 488-2510 кДж/кг или 1,38-7,23 ГДж/м3. Устройство имеет две модификации, которые различаются по типу теплоносителя: воздух, жидкие углеводороды.

Наряду с отмеченными предлагаются термохимические АТ, основанные на использовании абсорбционных свойств газов, обратимых реакций получения гидрата, причем реакции выделения водорода и образования гидрата осуществляются попеременно при откачке насосом водорода или гидрата. Продолжается поиск новых решений на основе обратимых химических реакций, позволяющих преодолеть ряд трудностей и недостатков, присущих термохимическим АТ (выделение и хранение газов, низкая теплота конденсации газов, высокая стоимость сосудов для хранения неконденсируемых газов и др.). Однако рассмотренные решения свидетельствуют о перспективности таких АТ для их использования не только в солнечной энергетике.

Подземные теплоаккумуляторы солнечной энергии

Аккумулирование солнечной энергии в подземных теплоаккумуляторах (ПТА) разрабатывается на основе следующих способов:

  • глубокие скважины с закачкой воды;
  • глубинные скважины с барботированным слоем жидкости;
  • теплообменная твердая засыпка в изолированной подземной полости;
  • система концентрических труб, продуваемых воздухом в теплоизолированной подземной полости.

Разработки подземных теплоаккумуляторов (ПТА) солнечной энергии ведутся практически во всех развитых капиталистических странах. Заслуживают внимания достижения в этой области в Швеции. В рамках национальной программы по освоению энергетических ресурсов разработан проект теплоснабжения группы коттеджей с помощью солнечной энергии и теплонасосных установок, использующих тепло нагретых грунтовых вод. Система спроектирована для условий района г. Ландскруна (Южная Швеция). Первоначально она намечалась для краткосрочного аккумулирования тепла, в последующем — для сезонного. Для этого планируется проведение экспериментов с целью определения возможности создания сезонного подземного теплоаккумулятора (ПТА). В скальных породах на глубине 30 м (Швеция) сооружен сезонный подземный теплоаккумулятор солнечной энергии емкостью 100 тыс.м3. Его годовая энергоемкость 5500 МВт•ч, что эквивалентно 550 т мазута. Подземный теплоаккумулятор имеет кольцевую форму, его высота 30 м, наружный и внутренний диаметры, соответственно, 75 и 35 м. С помощью солнечной энергии отапливается 550 жилищ. Общая поверхность коллекторов 4,2 тыс.м2. Строительные работы длились 7 мес., в том числе самого подземного теплоаккумулятора — 4 мес. Летом и осенью в ПТА поступает нагретая вода до 90°С, а забирается из него с температурой 65-70°С. Среднегодовой КПД 30%, потери тепла неизолированного подземного теплоаккумулятора в конце первого года эксплуатации составят 70%, а через 4 года — 32%, через 10 лет — не превысят 28% (остывание за 25 ч составляет 10°С). Стоимость тепла от подземного теплоаккумулятора эквивалентна стоимости тепла от теплосети. В Швеции разрабатывается проект сезонного ПТА, включающий водоем и подземные горные выработки объемом 700 тыс. м3. Нагретая летом вода будет закачиваться в подземный теплоаккумулятор. Теплоаккумулирующая энергоемкость составит 11-170 ГВт•ч. В отопительный период вода из ПТА поступает в теплосеть; при падении температуры воды ниже 6°С она будет использована в качестве источника тепла для теплонасосных установок.

Большой интерес проявляется к подземному аккумулированию в водонасосных горизонтах. Он настолько велик, что этим уже занимается большое число стран (Швейцария, Франция, ФРГ, США, Япония, Швеция). В Швейцарии сооружен АТ с использованием водоносного горизонта на глубине 36 м. Схема предполагает возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросного тепла с температурой воды от 30 до 100 С, которая предназначается для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах. Во Франции проведены экспериментальные исследования по закачке воды с температурой до 180°С в водоносный горизонт на глубине 50 м, в результате которых намечены направления дальнейших исследований и масштаб внедрения.

В штате Аляска (США) демонстрируется экспериментальная установка, которая производит тепло при 90 С, в штаге Миннесота — при 150 С. В штате Алабама были проведены два цикла аккумулирования и восстановления тепла. В первом цикле закачали 55 000 м3 воды с температурой 55 С на 48 сут, а затем откачали, коэффициент восстановления тепловой энергии составил 67%. Во втором цикле было закачано 58 000 м3, коэффициент восстановления тепла возрос до 74%. Эти и другие эксперименты подтверждают их эффективность. Отмечается, что проблема закупорки пор и трещин не возникает, если используется дублетная схема скважин (нагнетательная и водозаборная), а рассеяние тепла сохраняется на приемлемом уровне. В частности, к таким выводам пришли в Японии и США.

Исследования и разработки показывают, что подземное аккумулирование тепловой энергии можно организовать по-разному в зависимости от принципа и способов аккумулирования. В первом случае в качестве аккумулирующей среды могут использоваться водонасыщенные пласты, вода, твердая порода и поверхностное поглощение. Во втором — природные формации (водоносные горизонты, каверны, пустоты и т.п.) и искусственные системы (выработки, шурфы, котлованы, емкости, заполненные твердыми частицами, зоны трещиноватости, образованные в результате взрыва или гидроразрыва).

Для подземного аккумулирования тепловой энергии важным является отработка технологии хранения тепла. Уже первые зарубежные результаты показали, что без особых предосторожностей безопасность и надежность не будут обеспечены при температурах выше 200 С и нет уверенности, что это легко разрешимо для температурного диапазона от 100 до 200 С. Обнаружено, что тепловые потери являются неприемлемыми, когда горизонты состоят из породы с крупной гранулометрией (диаметр >1 дм). Это характерно, например, для твердых известняков. Слои с каменными нагромождениями, каналы с большой проницаемостью, континентальные и дельтовые образования пригодны для подземного аккумулирования тепловой энергии. Существует ограничение по закачке воды, взятой из поверхностного источника или из другого водоносного слоя из-за несовместимости воды. Не решен вопрос об уровне температуры хранения тепла. Данные свидетельствуют, что выгодно поддерживать температуру как можно выше. Например, во Франции эксперименты показали, что повышение температуры хранения со 100 до 200°С позволяет в 2-2,5 раза больше переносить тепла в 1 м3 воды, а гидравлический дебит выше почти в 2 раза при одной и той же энергии откачки воды. Однако использование повышенных температур противоречит идее геометрического дублета, так как с ростом температуры на одну горячую скважину требуется несколько холодных нагнетательных скважин.

Одним из практических параметров является КПД подземного аккумулирования тепловой энергии, который представляет собой отношение между количеством возвращаемого и запасаемого тепла. Его значение зависит от уровня падения температуры. Предположительно считается, что лучше хранить тепло при более высокой температуре, что допускает более высокое падение температуры. Однако падение на 40—50°С за несколько месяцев делает непригодным возвратное тепло для получения электроэнергии. Эксперименты и расчеты дают основание на достижение КПД на уровне 75-80%.

С точки зрения практической реализации сеть подземной воды и обогреваемая сеть должны быть обязательно разделены через теплообменник из-за химической несовместимости и независимых давлений воды в каждой из них. В тоже время нельзя допускать вскипания воды в скважинах и в водоносном горизонте во избежание накипи, разрушения приставок и самого устройства, а особенно для устранения деградации теплового уровня, который практически не восстанавливается. Для этого должны предусматриваться соответствующие регулирующие устройства по поддержанию давления во время хранения, запуска или в периоды эксплуатации с малым дебитом.

Для проектирования и создания систем аккумулирования тепловой энергии должны быть получены достоверные данные о зависимости удельной проницаемости от температуры. Имеются сведения о заметном ее падении с ростом температуры. Необходимо выяснить проблему аккумулирования тепловой энергии в пористой среде с учетом растворимости и выпадения осадков при изменении температуры воды. Вода в пласте находится почти всегда в химическом равновесии с основой пласта, а изменение температуры вызывает изменение химических равновесий в процессе аккумулирования и рекуперации тепла. Очевидно, что нельзя создать эффективные ПТА, не располагая образцами воды и грунта. Даже в тех случаях, когда вода и не содержит много минералов, существуют явления растворимости и выпадения осадков, и они могут быть источником аварии. Поэтому должны быть приняты меры, исключающие крупные выпадения осадков вблизи скважины, а также обеспечены условия работоспособности теплообменников и насосов.

Должны быть изучены вопросы безопасности при создании подземных аккумуляторов тепловой энергии с учетом прогревания грунтовых вод (теплопроводность, конвекция, деривация, динамические перемещения и перемещения из-за неравномерности прогревания поверхности и близлежащих участков, опасность резких перемещений грунта при землетрясениях, образование трещин с выходом на поверхность) и другие аспекты (глубина расположения аккумуляторов, местные аномалии по глубине и плотности и т.п.).

Цель исследований и разработки по созданию подземных аккумуляторов тепловой энергии сводится к выявлению параметров, воздействующих на работу водоносных пластов и близлежащих участков, включая проницаемость, механизмы энергетических потерь, механические и гидравлические характеристики, экологические аспекты и работоспособность оборудования. При использовании горных выработок или полостей должны быть изучены вопросы воздействия теплоносителя в зависимости от параметров (давление, температура) на приконтурные зоны, выявлены условия возникновения разрушения слагающих массивов, потери устойчивости при термоциклировании. Должны быть разработаны методы расчета при определению термокинетических параметров горных пород и разработанной горной массы в условиях длительного воздействия давления и высоких градиентов температур. Одновременно следует изыскивать новые решения создания эффективных ПТА. Одним из таких решений является ПТА, выполненный в виде подземной полости, облицованной кирпичной кладкой, в которую помешается резервуар из резины или из пластмассы. Между ними и стенками полости образуется пространство, заполняемое пенопластом. Резервуар перед монтажом накачивается воздухом или газом. Снаружи предусматриваются дистанционирующие элементы, предохраняющие его от соприкосновения со стенками и днищем полости. Во избежание его повреждения от заливочной массы он постепенно заполняется жидкостью с плотностью, равной плотности заливочной массы, причем уровни жидкости и массы выдерживаются одинаковыми.

Задачей исследований по разработке подземного аккумулирования тепловой энергии должно быть изучение вышеперечисленного комплекса проблемных и инженерных вопросов с целью развития данного направления для аккумулирования солнечной энергии, в том числе и в сочетании с другими источниками первичной энергии.
Таким образом, начиная с середины 70-х годов развернулись исследования по отработке различных технологий теплоаккумулирования и разработке емкостей для хранения накопленной энергии. Наибольшие успехи достигнуты в освоении теплоемкостных АТ. Обобщения ранее накопленного опыта создания и эксплуатации теплоаккумулирующих устройств на традиционных энергоустановках существенно облегчили их создание для СЭУ. Учитывая специфику СЭУ, а также недостатки и несовершенство ранее созданных АТ теплоемкостного типа, была проведена серия лабораторных экспериментов по изучению стабильности ТАМ. Успешно прошли проверку ТАС в условиях, близких к промышленным, что в конечном итоге определило пути их совершенствования. Одновременно выявились трудности в освоении технологии аккумулирования тепла высокого потенциала в АТ теплоемкостного типа, а также в технологии на основе фазовых превращений и обратимых химических реакций.

Для АТ основное ограничение на пути серийного производства является их относительно высокая стоимость. В этой связи предстоит изыскивать решения, основанные на использовании недорогих ТАМ, позволяющих добиться снижения их стоимости. Для водяных АТ основным ограничением является рабочее давление в емкости для хранения тепла. Поэтому заслуживает внимания создание комбинированных теплоемкостных систем с использованием органических ТАМ, широко доступных природных материалов (камень, гравий и т.п.).

В области освоения технологии аккумулирования тепла проведенные эксперименты и теоретические изыскания определили ряд проблемных вопросов, которые предстоит изучить с тем, чтобы было возможным создать недорогие АТ, но эффективные с точки зрения передачи тепла от теплоприемника к потребителю энергии через этап ее хранения в ТАМ, размещенном в емкости АТ.

В области термохимических АТ имеются существенные трудности, но их высокая энергоемкость позволяет продолжить экспериментальные работы особенно с использованием обратимых химических реакций (де)гидратации гидратных солей.

Для аккумулирования тепла высокого потенциала в интервале 250-1000°С заслуживают внимания АТ в первую очередь на основе карбонатов кальция и магния, гидрооксида кальция и магния, сульфатов железа и серного ангидрида.

Перспективным направлением аккумулирования солнечной энергия считаются ПТА. В комбинации с традиционными источниками энергии они могут найти применение как для краткосрочного, так и для сезонного хранения тепла. Опыт экспериментальных установок на основе ПТА в ряде зарубежных стран, особенно в Швеции, показал, что этот метод аккумулирования тепла требует тщательного изучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опыт эксплуатации первых экспериментальных СЭС показал их достаточную надежность. На отдельных СЭС показатели превзошли проектные. Например, в Барстоу (США) при максимальной проектной мощности 10 000 кВт на испытаниях зарегистрирована максимальная мощность 11 400 кВт.

Единичная мощность СЭС башенного типа лимитируется главным образом высотой башни. При высоте башни 250-300 м мощность единичного модуля СЭС может достигать 100 000 кВт.

Таким образом, технический барьер на пути создания крупных СЭС промышленного уровня мощности сегодня можно считать преодоленным. Однако предстоит преодолевать другой, не менее трудный барьер — экономический. Он обусловлен тем, что построенные в последние годы СЭС при современных ценах на топливо неконкурентоспособны с традиционными ТЭС и АЭС. Необходимо снизить удельные капитальные затраты на их сооружение по крайней мере на порядок. Одной из причин высоких удельных затрат на сооружение СЭС является их уникальность, при постройке которых пока не используются преимущества серийного специализированного производства.

Предстоит разорвать заколдованный круг: пока СЭС обходятся дорого, нельзя развернуть специализированное серийное производство оборудования, а пока не будет организовано такое производство — оборудование для СЭС будет обходиться многократно дороже. Для этого важно выявить возможности повышения экономической эффективности СЭС. Они сводятся в основном к следующему: рациональное размещение СЭС в районах с высокой плотностью солнечного излучения, оптимизация поля гелиостатов с преимущественным расположением зеркал в наиболее эффективной северной части поля, выбор оптимальной высоты башни, повышение параметров рабочего тела, использование солнечных приемников полостного типа, оптимизация систем аккумулирования.

Важным средством повышения эффективности СЭС является применение и таких широко известных и хорошо зарекомендовавших себя способов, как промежуточной перегрев пара и регенеративный подогрев питательной воды.

Использование результатов исследований только в перечисленных направлениях позволяет увеличить количество энергии, получаемой с каждого квадратного метра зеркальной поверхности гелиостатов, в 5,5-6,5 раза по сравнению с первой СЭС-5, построенной в Крыму.

Принимая во внимание тенденцию неуклонного удорожания первичных топливно-энергетических ресурсов и имеющиеся реальные возможности снижения удельных затрат при переходе на серийное специализированное производство оборудования, можно ожидать, что уже в обозримой перспективе СЭС промышленного уровня мощности могут стать экономически эффективными.

Научно-технический прогресс в этой области связан с дальнейшими исследованиями в целях совершенствования тепловых технологических схем, выбором эффективных теплоносителей, в том числе для систем теплового аккумулирования, разработкой головных образцов и совершенствованием технологии изготовления нестандартизированного гелиотехнического оборудования, созданием эффективных систем автоматического управления технологическими процессами СЭС.

Важным этапом на пути развития солнечной электроэнергетики является освоение полномасштабного опытно-промышленного модуля СЭС мощностью до 100 000 кВт.
На первом этапе вряд ли целесообразно строительство автономных СЭС. Более оправданным является создание солнечных пристроек к действующим или строящимся ТЭС. В этом случае отпадает необходимость в сооружении машинного зала, силовой установки, электротехнического хозяйства и других общестанционных сооружений, что позволит создать крупномасштабные СЭУ с меньшими издержками и при более благоприятных условиях. В то же время полученная в солнечном приемнике энергия может быть полезно использована в цикле ТЭС как для выработки дополнительной энергии, так и для повышения топливной экономичности ТЭС. Накопленная в аккумуляторах горячей воды солнечная энергия может эффективно заменить регенеративной подогрев питательной воды в часы максимальных нагрузок ТЭС.

Такой путь позволит выиграть время и ускорит решение широкого комплекса научно-технических проблем создания экономически эффективных СЭС. Одновременно при этом могут постепенно решаться и вопросы создания материально-технической и машиностроительной базы для развертывания в перспективе серийного производства оборудования для СЭС. Однако и в этом случае из-за ограниченного числа часов солнечного сияния целесообразно комбинированное использование СЭС совместно с гидравлическими, ветроэлектрическими, гидроаккумулирующими, воздушно-аккумулирующими или геотермическими электростанциями.

За рубежом также продолжаются интенсивные исследования в области крупномасштабной солнечной энергетики. Когда в США было начато строительство очередной СЭС мощностью 43 000 кВт в Южной Калифорнии, удельные капитальные вложения в нее были уже втрое ниже, чем в станцию мощностью 10 000 кВт, построенной в Барстоу в 1983 г.

Как бы ни была сложна проблема создания крупных экономически эффективных СЭС, нет непреодолимых препятствий на пути ее решения. Наступила пора создания материально-технической базы для планомерного освоения неиссякаемой по потенциальным ресурсам и экологически чистой солнечной энергии.

  • Оптические системы СЭС
  • Тепловые схемы СЭС
  • Комбинированные СЭС



Теплоаккумулирование на солнечных энергоустановках. Солнечные энергетические установки. СЭУ. Подземные теплоаккумуляторы солнечной энергии

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

пять × два =

wp-puzzle.com logo

Пролистать наверх
Adblock
detector