Эксплуатация тепловых сетей. Аккумулирование солнечного тепла

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Заочный факультет

по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.

тема: Аккумулирование тепла

Проверил: В.В. Чертищев

Барнаул 2007

Введение

Глава 1. Физические основы для создания теплового аккумулятора

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода.

Введение

Сейчас во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе и с помощью применения альтернативных источников энергии. К ним можно отнести такие виды, как использование водных ресурсов малых рек, морских волн, гейзеров и даже отходов производства и бытового мусора.

Но возникает проблема сохранения полученной энергии. Например, тепловую энергию, полученную в солнечной водонагревательной установке, можно сохранить в тепловом аккумуляторе, и использовать в темное время суток.

Тепловые аккумуляторы известны человечеству с глубокой древности. Это и горячая зола, куда наши предки закапывали продукты для их тепловой обработки, и горячие камни, которые накаливали на огне. Утюг, который нагревают на огне, а затем гладят им,- тепловой аккумулятор. Накаленные камни, которые мы поливаем водой (квасом, пивом) в парилках,- тоже аккумулятор тепла. Термобигуди, которые кипятят в воде, а затем с их помощью делают прическу,- тоже тепловые аккумуляторы, причем достаточно совершенные, основанные на аккумулировании плавлением.

Итак, каждое тело, нагретое выше температуры окружающей среды, можно считать аккумулятором тепла. Это тело способно, охлаждаясь, производить работу, а, следовательно, обладает энергией.

Глава 1.Физические основы для создания теплового аккумулятора

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ.

Исходя из первого закона термодинамики для незамкнутой системы постоянного химического состава характеристики аккумуляторов тепла зависят от изменения массы, объема, давления, энтальпии и внутренней энергии материала, а также различных их комбинаций.

В зависимости от технической реализации используется прямее аккумулирование тепла, когда аккумулирующий материал является одновременно и теплоносителем, косвенное аккумулирование - при различных теплоаккумулирующих и теплопередающих средах, а также различные виды симбиоза названных случаев.

Изменение энтальпии теплоаккумулирующего материала (ТАМ) может происходить как с изменением его температуры, так и без такового - в процессе фазовых превращений (например, твердое - твердое, твердое - жидкое, жидкое - пар).

Тепловые аккумуляторы реализуют, как правило, несколько элементарных процессов.

На современном этапе развития науки и техники существует возможность реализации практически любого известного принципа аккумуляции тепла. Целесообразность использования каждого принципа определяется наличием положительного эффекта, в первую очередь, экономического, достижение которого возможно при минимальной стоимости аккумулятора. Она определяется при прочих равных условиях массой и объемом теплоаккумулирующего материала, необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

В реальном процессе аккумулирования тепла плотность запасаемой энергии оказывается существенно ниже теоретического значения вследствие потерь тепла, выравнивания поля температур, потерь при заряде и разряде. Отношение реального и теоретического значений плотности запасаемой энергии и определяет эффективность теплового аккумулятора.

Одним из важнейших показателей, определяющих возможность и целесообразность аккумулирования тепла, является способность выделять энергию в количествах, необходимых потребителю. При прямом аккумулировании тепла это достигается практически всегда. Показатели таких аккумуляторов слабо зависят от вырабатываемой мощности, которая определяется расходом ТАМ и ограничивается только конструктивными и прочностными требованиями.

При косвенном аккумулировании повышение вырабатываемой мощности увеличивает градиент температур и ТАМ, что приводит либо к увеличению поверхности теплообмена, либо к неполному использованию запаса тепла. В любом случае это снижает эффективность аккумулирования.

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

К числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, несомненно, относятся жидкостные ТА, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала теплоносителя. Вследствие этого аккумуляторы такого типа особенно широко применяются для бытовых целей, в схемах различных электростанций (АЭС, АТЭЦ, солнечные и др.). В настоящее время применяются несколько основных конструктивных исполнений жидкостных ТА. Двухкорпусной ТА характеризуется раздельным хранением горячего и холодного ТАМ. В процессе зарядки один корпус заполняется горячим ТАМ, а другой – опорожняется. При работе горячий ТАМ подается потребителю и, отработав, попадает в корпус холодного ТАМ. Основным достоинством такого исполнения ТА является изотермичность каждого из корпусов и, как следствие, отсутствие в них термических напряжений и потерь, энергии на нагрев - охлаждение. Очевидно также, что объем корпусов используется нерационально и почти вдвое превышает объем ТАМ. Такое принципиальное решение целесообразно при большой разнице температур горячего и холодного ТАМ, особенно в случаях использования солевых ТАМ и жидких металлов.

Рис. 2. Основные типы жидкостных аккумуляторов тепла (магистрали показаны в режиме разряда): а - двухконтурный; б - многокорпусный; в - вытеснительный; с - со скользящей температурой ТАМ; 1 - горячий ТАМ; 2 - холодный ТАМ; 3– потребитель; 4 - единый корпус; 5 - уровень жидкости; 6 - промежуточный теплоноситель.

С целью более рационального использования объема аккумулятора предложен многокорпусный вариант, в котором используется несколько корпусов с горячим ТАМ и один пустой (холодный). По мере разрядки заполняется сначала этот корпус, а затем освобождающиеся горячие по мере их опорожнения. Это приводит к появлению термических напряжений и потерь на нагрев во всех корпусах, кроме одного.

Наиболее рационально используется объем теплового аккумулятора в случае применения единого корпуса, заполненного в начале процесса горячим ТАМ.

В процессе работы горячий ТАМ забирается из верхней части ТА, а отработанный холодный ТАМ подается в нижнюю часть ТА. Такой тип жидкостного аккумулятора называется вытеснительным. Вследствие разности плотностей горячей и холодной жидкостей может обеспечиваться малое перемешивание жидкости (эффект «термоклина»), эффективность использования вытеснительных ТА снижается вследствие потерь тепла на перемешивание и теплопроводности между объемами горячего и холодного ТАМ, нагрев корпусов и т. п.

Тепловые аккумуляторы такого типа применяются для жидкостей, имеющих большой коэффициент линейного расширения.

При особых свойствах ТАМ или нецелесообразности для потребителя использования ТАМ в качестве теплоносителя применяются тепловые аккумуляторы со скользящей температурой (рис. 2, г ).

В этом случае промежуточный теплообменник может размещаться как в корпусе ТА, так и вне его. В процессе заряда происходит нагрев ТА с использованием либо промежуточного теплоносителя, либо электроэнергии, а в процессе остывания производится отвод тепла в промежуточном теплообменнике. Одним из характерных примеров такого ТА является «солнечный пруд», в котором отбор ТАМ нежелателен вследствие разрушения обратного градиента солености воды.

Конструктивное исполнение жидкостного теплового аккумулятора во многом определяется свойствами теплоаккумулирующего материала. В настоящее время наиболее широко применяются вода и водные растворы солей, высокотемпературные органические и кремнийорганические теплоносители, расплавы солей и металлов.

В диапазоне рабочих температур 0...100 о С вода является лучшим жидким ТАМ как по комплексу теплофизических свойств, так и по экономическим показателям. Дальнейшее повышение рабочей температуры воды связано с существенным ростом давления, что усложняет проектирование корпуса, повышает его стоимость. С целью обеспечения низких рабочих давлений ТАМ используются различные высокотемпературные теплоносители. При этом возникают проблемы подбора конструкционных материалов теплового аккумулятора и системы в целом, применения специальных устройств, предотвращающих отвердение ТАМ на всех режимах эксплуатации, герметизации ТА и ряд других.

Кроме этого, использование наиболее распространенного вытеснительного типа ТА связано с комплексом конструктивных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих минимальные потери энергии.

С целью снижения потерь от смешения горячего и холодного объемов ТАМ используются различные устройства, обеспечивающие снижение скорости потока жидкости, выходящего и входящего в патрубок до нескольких сантиметров в секунду, и равномерное распределение ТАМ по всему сечению аккумулятора.

Таблица 2 Теплофизические свойства жидких ТАМ

В жилых помещениях можно применить водяной аккумулятор в качестве суточного. Суточный водяной аккумулятор тепла устанавливается внутри дома, в том числе он может быть встроен в одну из межкомнатных перегородок. Аккумулятор представляет собой полую стену, в которой размещены баки, заполненные водой. Через эти баки проходят дымовые трубы от печи, которые подогревают воду в баках. Источниками нагрева водяного аккумулятора кроме печи, могут быть использованы система воздушного солнечного отопления и система солнечного подогрева воды.

Внешняя теплоизоляция аккумулятора - деревянная, кирпичная или из газобетона, - служит для понижения температуры обогревающей поверхности примерно до 40 о С. Теплоизоляция обеспечивает медленное остывание бака-аккумулятора с тем, чтобы температура в комнате поддерживалась в приемлемом диапазоне температур.

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом

Тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ в настоящее время наиболее распространены. Это связано в первую очередь с использованием недорогих материалов, простых и проверенных технических решений. В качестве ТАМ используются наиболее дешевые материалы - щебень, феолит (железная руда), остатки строительных материалов.

Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с неподвижной или подвижной матрицами.

Использование неподвижной матрицы обеспечивает максимальную простоту конструкции, но требует больших масс ТАМ. Кроме этого, температура теплоносителя на выходе из аккумулятора изменяется в течение времени, что требует дополнительной системы поддержания постоянных параметров путем перепуска.

В настоящее время рассматривается несколько характерных технических решений таких аккумуляторов тепла (рис. 3).

Рис.3. Основные типы ТА с твердым ТАМ: а -с пористой матрицей; б, в - канальный; г, д - подземный с вертикальными и горизонтальными каналами; е - в водоносном горизонте; 1- вход теплоносителя; 2- теплоизоляция; 3 – разделительная решетка; 4 - ТАМ; 5 - опоры; 6- выход теплоносителя; 7 - разделении потоков; 8 -- индуктор; 9– водоносный слой; 10 – водонепроницаемый слой.

Аккумуляторы с пористой матрицей применяются, как правило, в системах гелиотеплоснабжения. Такие ТА проектируются, как правило, с минимальным гидравлическим сопротивлением, что позволяет использовать принцип свободно-конвективного переноса. При заряде горячий газ подается в верхнюю часть ТА и, охлаждаясь, опускается в его нижнюю часть.

При заряде горячий газ подается в верхнюю часть ТА и, охлаждаясь, опускается в его нижнюю часть. При разряде холодный газ подается в нижнюю часть ТА, нагревается и выходит из верхней его части. Таким образом, можно спроектировать систему теплоснабжения, требующую только источник тепловой энергии (например, Солнце). Известна разработка нагревателя газа для газодинамического лазера, использующая принцип «пористой» матрицы, нагреваемой электроэнергией.

Канальный ТА широко применяется в системах электро–теплоснабжения, использующих внепиковую энергию. Теплоаккумулирующий материал (шамот, огнеупорный кирпич и т. п.) нагревается в периоды минимального потребления электроэнергии, что позволяет выравнивать графики загрузки электростанций. Обогрев помещений производится воздухом, нагреваемым в процессе прохождения через матрицу.

Особым типом канального ТА с твердым ТАМ являются тепловые графитовые аккумуляторы, используемые в качестве источника энергии в автономных энергоустановках. Температура их нагрева может достигать 3500 К, что обеспечивает хорошие массогабаритные характеристики установки.

Подземные аккумуляторы тепла с вертикальными каналами используются, как правило, для аккумуляции сезонного тепла. Длина одного канала таких аккумуляторов может достигать ста метров, а общая энергоемкость тысяч киловатт-часов. Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными каналами применяются для аккумуляции тепла в течение нескольких месяцев.

Тепловые аккумуляторы с подвижной матрицей выполняются, как правило, в виде вращающегося регенератора, устройств с падающими шарами и т. п. Такие аккумуляторы применяются в устройствах регенерации тепловой энергии и вследствие малой продолжительности рабочего цикла имеют небольшие габариты; ТА с подвижной матрицей могут обеспечивать постоянную температуру газа на выходе. Основные характеристики наиболее часто применяемых твердых ТАМ приведены в табл. 3

Таблица 3 Основные свойства твердых ТАМ

С целью уменьшения амплитуды колебаний температуры холодного газа используется одновременная работа нескольких аккумуляторов, разряжаемых на общий канал. В этом случае амплитуда колебаний уменьшается пропорционально количеству работающих ТА. Очевидно, что для достижения постоянной температуры газа необходимо бесконечное их количество, что реализуется во вращающемся регенераторе.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах

Использования теплоты плавления для аккумулирования тепла обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии при использовании небольших перепадов температур и достаточно стабильную температуру на выходе из ТА. Однако большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионноактивными веществами, в основном имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоящее время известен широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 °С. Следует отметить, что широкое применение ТА с плавящимся ТАМ сдерживается прежде всего соображениями экономичности создаваемых установок.

При рабочих температурах до 120°С рекомендуется применение кристаллогидридов неорганических солей, что связано в первую очередь с использованием природных веществ в качестве ТАМ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся при плавлении, либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМ. С целью обеспечения кристаллизации с малым переохлаждением жидкости необходимо применение веществ, являющихся первичными центрами кристаллизации. Для блокирования разделения фаз либо применяются загустители, либо интенсивное перемешивание в процессе теплообмена. К настоящему времени разработаны рекомендации, обеспечивающие работоспособность ТАМ на основе кристаллогидратов в течение нескольких тысяч циклов заряд - разряд. К числу недостатков кристаллогидратов следует отнести также их повышенную коррозионную активность.

Таблица 4.1Основные свойства ТАМ на основе кристаллогидридов.

Использование органических веществ практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, неплохие экономические показатели. Разработанные к настоящему времени способы поверхностной обработки органических веществ (крафт - полимеризация - модификация и т. п.) позволяют создавать конструкции без явно выраженной поверхности теплообмена. Однако в процессе работы органических веществ происходит снижение теплоты плавления вследствие разрушения длинных цепочек молекул полимеров. Применение органических материалов требует развитых поверхностей теплообмена вследствие низкого коэффициента теплопроводности ТАМ.

Таблица 4.2 Основные свойства плавящихся органических ТАМ.

При более высоких рабочих температурах применяются, как правило, соединения и сплавы легких металлов. Существенными недостатками соединений металлов принято считать низкий коэффициент теплопроводности, коррозионную активность, изменение объема при плавлении.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода

Размещение ТАМ в капсулах рис. 4, а обеспечивает высокую надежность конструкции, позволяет создавать развитую поверхность теплообмена, компенсировать (при использовании гибких капсул) изменения объема в процессе фазовых переходов. Однако вследствие низкой теплопроводности ТАМ необходимо большое число капсул малого размера, что приводит к большой трудоемкости изготовления ТА, недостаточно рациональному использованию объема (для цилиндрических капсул), малой жесткости конструкции (для плоских капсул). Особенно целесообразно применение капсульных ТА в случаях малых тепловых потоков с теплообменной поверхности.

Рис.4 Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода: а - капсульный; 6 -. кожухотрубный; в, г - со скребковым удалением ТАМ; д - с ультразвуковым удалением ТАМ; е, ж - с прямым контактом и прокачкой ТАМ; з, и - с испарительно-конвективным переносом тепла; 1 -жидкий ТАМ; 2 -твердый ТАМ; 3 - поверхность теплообмена; 4 - корпус ТА; а - теплоноситель; 6 - граница раздела фаз; 7 - частицы твердого ТАМ; 4- промежуточный теплообменник; 9 - паровое и жидкостное пространства для теплоносителя.

Расположение ТАМ в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника (рис. 4,б) обеспечивает рациональное использование внутреннего объема ТА и применение традиционной технологии изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность аккумулятора в целом. Обеспечение динамических характеристик аккумулятора затруднено известными прочностными ограничениями шага трубок в трубной доске.

Наиболее технологически сложным и дорогим элементом ТА традиционной конструкции является теплообменная поверхность, определяющая мощность теплового аккумулятора. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности большинства плавящихся ТАМ в настоящее время предложены различные способы уменьшения поверхности теплообмена путем соскребания ТАМ, ультразвукового либо электрогидравлического разрушения затвердевшего ТАМ. Указанные способы позволяют существенно снизить величину теплообменной поверхности, но существенно увеличивают нагрузки на конструктивные элементы аккумулятора. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Очевидно, что в этом случае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

Теплоаккумулирующие материалы в этом случае должны отвечать следующим требованиям: кристаллизоваться отдельными кристаллами; иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз; быть химически стабильными; не образовывать эмульсий с теплоносителем.

Теплоносители подбираются по следующим признакам:

химическая стабильность в смеси с ТАМ,

большая разница плотностей по отношению к ТАМ,

малая способность к вспениванию,

ряд других требований, вытекающих из особенностей конструкции.

При использовании теплоносителя, более плотного чем твердый ТАМ, реализуется схема, изображенная на рис. 4 е. В процессе работы аккумулятор заполнен смесью теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. В верхнюю часть ТА подается жидкий теплоноситель, который попадает на поверхность ТАМ, охлаждает (нагревает) его и отводится из нижней части аккумулятора. За счет меньшей плотности жидкой фазы ТАМ по сравнению с твердой его закристаллизовавшиеся частицы опускаются в нижнюю часть аккумулятора. В процессе работы ТА происходит постепенное заполнение всего объема закристаллизовавшимися ТАМ. При использовании теплоносителя с плотностью, меньшей плотности ТАМ, реализуется схема, изображенная на рис. 4 ж. Распыл теплоносителя происходит в нижней части аккумулятора. В процессе всплытия капель теплоносителя ТАМ нагревается либо охлаждается и одновременно интенсивно перемешивается. Основными недостатками приведенных способов контакта ТАМ и теплоносителя считаются потребности в постороннем источнике энергии для прокачки и необходимость тщательной фильтрации теплоносителя с целью препятствия уносу частиц ТАМ.

Указанные недостатки отсутствуют в конструкции, использующей принцип испарительно-конвективного переноса тепла при непосредственном контакте ТАМ и теплоносителя (рис.4, з ). В этом случае помимо названных свойств теплоносителя требуется, чтобы температура кипения при атмосферном давлении была несколько ниже температуры плавления ТАМ. Для заряда аккумулятора давление и соответственно температура кипения теплоносителя в нем устанавливаются выше температуры плавления ТАМ. В зарядном теплообменнике осуществляется подвод тепла. Теплоноситель закипает и пузырьки пара при температуре выше температуры плавления ТАМ поднимаются вверх и подогревают ТАМ. При этом происходит плавление ТАМ и конденсация теплоносителя. Расплавленный ТАМ поднимается вверх, а конденсат теплоносителя опускается вниз, По мере плавления ТАМ пузырьки теплоносителя выходят в паровое пространство ТА и в конце процесса зарядки весь теплоноситель в паровой фазе находится в паровом пространстве. На этапе отвода тепла от ТА давление в нем снижается так, что температура конденсации теплоносителя становится ниже температуры плавления ТАМ. При отводе тепла на поверхности разрядного теплообменника происходит конденсация теплоносителя, который стекает на расплавленный ТАМ. Происходит испарение капель теплоносителя и кристаллизация частиц ТАМ. Затвердевший ТАМ опускается в нижнюю часть ТА, а пар теплоносителя поднимается вверх.

По мере охлаждения ТАМ капли теплоносителя опускаются все ниже и ниже и в конце процесса разрядки весь теплоноситель оказывается в нижней части ТА.

Список использованной литературы

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций) © Кафедра теплоэнергетических систем, 2006

2. Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.,1980г.

3. Левенберг В.Д. и др. Аккумулирование тепла. 1991г.

4. Пугач Л.И. нетрадиционная энергетика, возобновляемые источники.

5. http://www.rodniki.bel.ru/dom/elgen0.htm

6. http://www.seu.ru/programs/ecodom/book/index.htm

Тепловой аккумулятор - устройство для аккумулирования тепловой энергии основанное на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным из них относятся накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты, процесс сорбции -десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением тепла.

Аккумуляцией (аккумулированием) тепловой энергии или аккумуляцией теплоты называется процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, когда в этом возникнет необходимость. Процесс накопления энергии называется зарядкой, процесс ее использования – разрядкой.

Классификация тепловых аккумуляторов

По типу процесса в аккумуляторах теплоты различают:

• тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества - теплоёмкостная аккумуляция;
• тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
• термохимическое аккумулирование тепловой энергии.

По временному фактору использования аккумуляторов теплоты различают:

• тепловые аккумуляторы краткосрочного (суточные) действия - цикла работы (зарядка/разрядка) не превышает продолжительности суток;
• тепловые аккумуляторы долгосрочного действия - продолжительность процесса зарядки и разрядки превышает продолжительность суток (может достигать недельного, месячного и годового периода).

Конструктивное различие между первыми и вторыми сказывается в первую очередь на их размерах, что связано с необходимостью аккумулирования разного количества теплоты. Кроме того, тепловые аккумуляторы долгосрочного действия необходимо хорошо теплоизолировать из-за необходимости длительного хранения запасенной теплоты.

По интервалу рабочих температур тепловые аккумуляторы можно разделить на 4 группы:

• для производства холода - Т < 20 °С
• низкотемпературные - 20 °С < Т < 200 °С
• среднетемпературные - 200 °С < Т < 500 °С
• высокотемпературные - Т > 500 °С

Наиболее широкое применение нашли низкотемпературные тепловые аккумуляторы, использование которых связано с системами жизнеобеспечения человека, экологически чистыми способами производства энергии и оптимизацией потребления энергии.

Использование тепловых аккумуляторов для производства холода связано с необходимостью хранения пищевых продуктов и медицинских тканей, в том числе в условиях транспортировки.

Средне- и высокотемпературные тепловые аккумуляторы пока не нашли широкого применения в промышленности. Применение среднетемпературных тепловые аккумуляторы связано в основном с энергетическими установками (например, солнечные электростанции) и системами утилизации тепла.

Высокотемпературными тепловые аккумуляторы могут найти применение в металлургии и энергетике.

Теплоёмкостная аккумуляция

Теплоёмкостная аккумуляция основана на способности веществ запасать энергию при нагревании. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами. При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается теплоаккумулирующий материал, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например, при отоплении печами , которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева тепло, которое затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, т.е. способности аккумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы , одним из самых хороших является вода .

Тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода

В данном типе тепловых аккумуляторов аккумулирование тепловой энергии основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание. В этом случае в качестве теплоаккумулирующего материала используется фазоменяющий материал. Реализация этого способа оказывается более сложной, из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких тепловых аккумуляторах на единицу объема запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы тепловых аккумуляторов в условиях небольших температурных напоров.

Некоторые применения тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода

Пленочная теплица с аккумулятором теплоты в грунте:
1 - теплица
2 - аккумулятор тепла
3, 4 - каналы
5, 6 - трубы
7 - вентилятор

Тепловой аккумулятор для автомобиля

В строительстве

Стеновые панели с использованием фазоменяющих материалов. Как правило, это смесь бетона с парафином или с включенными в него небольшими капсулами, содержащими фазоменяющий материал. Панели с фазоменяющими материалами используются в качестве ограждающих конструкций здания и поглощают излишнее тепло в дневное время, отдавая его в ночное, когда отсутствует поступление солнечной радиации. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь. Эффективность их использования так же связана с тем, что в них сочетаются свойства тепловой защиты, термостабилизатора и собственно аккумуляции тепла. При этом конструкция системы аккумулирования оказывается предельно простой.

В сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве тепловые аккумуляторы используются для обогрева теплиц в ночное время с использованием тепла накопленного в светлое время суток. Вентилятор осуществляет циркуляцию воздуха в теплице через тепловой аккумулятор. Избытки тепла в дневное время служат для зарядки теплового аккумулятора, а в ночное время тепловой аккумулятор разряжается и подогревает воздух в теплице.

В системах вентиляции

Применение тепловых аккумуляторов в системах вентиляции для сглаживания перепадов температур в дневное и ночное время. В дневное время происходит зарядка аккумулятора и охлаждение поступающего воздуха, а ночью его нагрев и, соответственно, разрядка теплового аккумулятора. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь.

В системах электроотопления и электрического нагрева воды для горячего водоснабжения

Применение тепловых аккумуляторов для зарядки путем электронагрева в ночное время и использование теплоты в дневное позволяет значительно сократить расходы на электрическую энергию за счёт потребления электроэнергии в ночное время по более низкому тарифу.

В автомобильной промышлености

Применение тепловых аккумуляторов для облегчения пуска двигателя и обогрева салона автомобиля в холодное время. Теплота, запасается во время работы двигателя и может храниться в течение нескольких дней. Для этого тепловой аккумулятор помещается в сосуд Дьюара (термос), обеспечивающий наилучшую теплоизоляцию.

Впервые тепловой аккумулятор предложил канадский конструктор Оскар Шатц. Первые автотермосы появились в Канаде под брендом Centaur, эта компания функционирует и поныне. Среди отечественных разработчиков термосов лидерами можно назвать «Автоплюс МАДИ» и «АвтоТерм».

Термохимическое аккумулирование тепловой энергии

Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обратимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации.

Экология потребления.Наука и техника:Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Рассмотрим, каким образом можно накопить виды энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером - больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача - сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.

Существует 6 основных видов энергии: гравитационная, механическая, тепловая, химическая, электромагнитная и ядерная. К настоящему времени человечество научилось создавать искусственные аккумуляторы для энергии первых пяти видов (ну, если не считать, что имеющиеся запасы ядерного топлива имеют искусственное происхождение). Вот и рассмотрим, каким образом можно накопить и сохранить каждый из этих видов энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Накопители гравитационной энергии

В накопителях этого типа на этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).

Гравитационные твердотельные накопители энергии

Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES). Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.

Практически все механические накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.

К сожалению, удельная энергоёмкость таких устройств невелика и определяется классической формулой E = m · g · h. Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений.

Недостатком таких систем является также то, что путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных.

Гравитационные жидкостные накопители

В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма - жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.

Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

Накопители механической энергии

Механическая энергия проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).

Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива.

Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.

К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше.

Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.

Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа.

Гирорезонансные накопители энергии

Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».

Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.

Механические накопители с использованием сил упругости

Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

Пружинные механические накопители

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).

Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.

При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.

Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.

Газовые механические накопители

В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).

Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.

Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.

Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.

Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.

Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.

Участники канадского стартапа Hydrostor предложили другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.

Накопление тепловой энергии

В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.

Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.

Накопление энергии за счёт теплоёмкости

В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.

Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.

Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).

Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость, позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес.

Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).

В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.

Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно.

В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы.

Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.

Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. .

Накопление энергии при смене фазового состояния вещества

Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.

Плавление и кристаллизация

К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.

Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле.

Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.

В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)!

Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина.

Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!

Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.

Испарение и конденсация

Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°.

Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.

Фазовые переходы второго рода

Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.

Электрические накопители энергии

Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.

Ионисторы

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.

Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.

В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.

По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.

К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства.

При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

Разработки с целью создания новых типов электрических аккумуляторов и усовершенствования существующих устройств не прекращаются.

Химические накопители энергии

Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

Накопление энергии наработкой топлива

На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей - многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем. Несмотря на эти недостатки в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.

Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.

Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na2SO4 · 10H2O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.

С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).

Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.

Безтопливное химическое накопление энергии

В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).

При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.

По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.

Другие типы накопителей энергии

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений. опубликовано

Одной из важнейших особенностей энергетики в наши дни является всевозрастающая неравномерность потребления энергии. Это обстоятельство в сочетании с высокой стоимостью топлива заставляет энергетиков как в России, так и за рубежом искать новые возможности покрытия переменной части графиков электрических и тепловых нагрузок.

Д ля обеспечения кратковременного повышения нагрузок в энергосистеме можно использовать тепловое, пневматическое, гидравлическое, электромеханическое и другие виды аккумулирования энергии. Весьма успешным, например, оказался первый опыт применения подземного аккумулирования сжатого воздуха. Во многих странах в промышленных масштабах используются гидроаккумулирующие электростанции, потребляющие энергию ТЭС и АЭС в периоды низкой нагрузки в энергосистемах и вырабатывающие электроэнергию в часы пика нагрузки.

В области теплоснабжения также наблюдаются значительные суточные и сезонные колебания графика нагрузок, для покрытия которых все чаще применяют теплоаккумулирующие установки.

Теплоаккумулирующие установки

В качестве рабочих емкостей в установках для внутрисуточного сглаживания графика нагрузок используют в основном секционные резервуары, сварные баки, железобетонные наземные и подземные конструкции. Для покрытия сезонных колебаний нагрузки часто используют не только искусственные резервуары, но и отработанные шахты или разного рода естественные пустоты в водонепроницаемых грунтах.

Небольшие тепловые аккумуляторы, принимая на себя обеспечение тепловой нагрузки, позволяют на время суточных пиков электрической нагрузки отключать отопительные отборы пара на ТЭЦ. В отдельных случаях, при кратковременном увеличении тепловой нагрузки, аккумуляторы позволяют обойтись без пуска пиковой котельной и тем самым сэкономить органическое топливо.

Для аккумулирования теплоты можно использовать, любые нетоксичные вещества, имеющие достаточно высокую теплоемкость или высокую теплоту плавления при хорошей теплопроводности (например, соли, находящиеся в расплавленном или эвтектическом состоянии). Однако чаще всего для аккумулирования теплоты применяется вода.

Широкое внедрение установок для аккумулирования теплоты сдерживается высокой стоимостью этих установок.

Рациональная аккумуляция тепла

Были проведены экономические расчеты, которые показали, что максимальную удельную стоимость имеют теплоаккумуляторы в виде земляных бассейнов с теплоизоляцией. Несколько дешевле обходятся стальные баки-аккумуляторы, которые имеют, как правило, небольшой объем и поэтому чаще используются для внутрисуточного регулирования.

Для создания крупных теплоаккумуляторов, обеспечивающих сезонное регулирование, экономичнее применять искусственные подземные пустоты: их удельная стоимость при вместимости более 100 тыс. м3 существенно меньше, чем у стальных теплоаккумуляторов. Еще ниже удельная стоимость аккумулирования теплоты при использовании подземных водоносных горизонтов. Этот сравнительно новый метод аккумулирования представляется весьма перспективным, так как водоносные горизонты распространены довольно широко, они являются естественными образованиями, и поэтому практически единственным видом капитальных затрат при создании таких аккумуляторов будет стоимость бурения скважин для обеспечения доступа к горизонту. Важным достоинством этого метода является и то, что теплота в данном случае аккумулируется не только в объеме воды, но и в горной породе водоносного горизонта. Природный аккумулятор не изна-шивается, не требует технического обслуживания и ремонта, а срок его использования практически неограничен.

Во многих странах энергетики проявляют интерес к этой проблеме. В Швейцарии, например, при поддержке Международного энергетического агентства сооружен теплоаккумулятор с использованием водоносного горизонта, расположенного на глубине до 36 м. Кроме центральной скважины на глубине от 7 до 24 м, были смонтированы радиальные трубы, через которые осуществлялись нагнетание и отбор теплой воды. Схема предполагала возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросной теплоты (температура воды от 30 до 100 °С). Потребителями аккумулированной энергии были системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах.

Первая закачка горячей воды состоялась еще в конце прошлого века в июле, а отбор теплой воды температурой 30-55 °С- в январе следующего года. В первом цикле эффективность этого аккумулятора составила 35 %, однако в следующих циклах удалось аккумулировать в водоносном горизонте примерно по 1290 Гкал (при мощности около 0,43Гкал/ч) и извлекать из него по 645 Гкал (при средней мощности 0,258 Гкал/ч).

Во Франции в те же годы были проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности сезонного аккумулирования теплоты путем закачки воды температурой 100-180 °С в водоносный горизонт, располо-женный на глубине около 50 м. Особое внимание было уделено регистрации тепловых потерь, а также воздействию аккумуляции на окружающую среду. По итогам этого эксперимента были выбраны направления дальнейших исследований и возможные объемы внедрения.

Перспективы аккумулирования тепла в водоносных горизонтах

Перспективным направлением является сочетание аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах с использованием тепловых насосов. Расчеты показывают, что такое сочетание значительно повышает эффективность систем обогрева (в зимнее время) и кондиционирования воздуха (в летнее время) (рис. 1).

Рис. 1. Аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с тепловыми насосами

При определенных климатических условиях аккумулирование теплоты в этом случае (рис. 2) может значительно повысить коэффициент преобразования энергии и сэкономить до 50 % первичной энергии, расходуемой на отопление и охлаждение жилых и производственных помещений.

Рис. 2. Тепловые насосы для систем аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах

Большой интерес вызывает аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с использованием гелиоустановок. Понятно, что равномерность солнечной радиации в зависимости от времени суток, сезона или погодных условий требует применения резервной системы теплоснабжения или больших и дорогостоящих аккумуляторов теплоты. Немецкими специалистами на мюнхенском семинаре по проблемам аккумулирования тепловой энергии были приведены такие цифры: гелиотермическая установка без аккумулирования теплоты может в условиях ФРГ удовлетворить лишь 10 % потребностей обслуживаемых ею домов. При наличии плоского гелиоприемника (рис. 3) площадью 2000 м2 с тепловыми трубами в сочетании с центральным тепловым аккумулятором вместимостью 150 м3 можно было бы удовлетворить уже 25 % потребностей 250 односемейных коттеджей в теплоте. Для удовлетворения 70-90 % этих потребностей гелиотермическая установка должна быть дополнена сезонным теплоаккумулятором, соединенным с теплосетью. Использование водоносных горизонтов для этих целей позволит решить проблему с минимальными капитальными затратами.

Рис. 3. Гелиоприемник

Перспективными являются и такие области применения нового метода аккумулирования теплоты, как горячее водоснабжение, обогрев теплиц и т. д. При необходимости получения технологического пара в водоносных горизонтах можно аккумулировать горячую воду под давлением выше атмосферного, что позволит использовать ее в теплообменниках для получения пара.

Большой интерес во многих странах Европы вызывает система обогрева и охлаждения с использованием тепловых насосов. Основным устройством, предназначенным для отбора теплоты из водоносного горизонта или передачи ему тепловой энергии, является тепловой насос. Налажен серийный выпуск самых разнообразных тепловых насосов с отбором низкопотенциальной теплоты из воды производительностью от 1,75 до 7034 кВт, или от 0,5 до 2000 т (1 т охлаждения - единица холодопроизводительности, которая в Великобритании соответствует 13,9 МДж/ч (3,86 кВт), в США - 12,7 МДж/ч (3,53 кВт).

Варианты применения

Основные варианты предлагаемых теплонасосных установок показаны на (рис. 4). В жилых домах на одну семью можно применять небольшие автономные тепловые насосы. В более крупных зданиях может быть создана разветвленная система тепловых насосов, которые обслуживают или большое помещение, или небольшие отдельные комнаты. В высотном здании целесообразно установить центральный тепловой насос для обогрева и охлаждения любых помещений. В жилом или деловом районе города можно также смонтировать центральную теплонасосную установку для отопления и кондиционирования жилых домов, учреждений и предприятий. Тепловой насос повышает качество энергии, аккумулированной в подземных водах, и делает более эффективным ее использование.

Рис. 4. Аккумулирование теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов: 1 - крупные центральные теплонасосные установки в многоэтажных зданиях; 2 - небольшие децентрализованные (внутрикомнатные) тепловые насосы в многоэтажных зданиях; 3 - небольшие отдельные тепловые насосы в индивидуальных жилых домах; 4 - холодная скважина; 5 - глубинный насос; 6 - движение фронта температур; 7 - горячая скважина; 8 - двухтрубная распределительная система

Краткое описание системы

Действие системы с применением тепловых насосов, которая рассмотрена ниже, основано на аккумулировании теплоты для улучшения характеристик отдельных теплонасосных установок. Система накапливает теплоту, выделяемую при кондиционировании воздуха, а затем использует ее для отопления. Следовательно, она служит источником тепловой энергии при обогреве и теплоприемником при охлаждении.

Аккумулирующая система большой емкости создана самой природой в водоносном горизонте. Доступ к этой системе обеспечивается с помощью двух скважин. Если необходим нагрев, теплую воду (27° С для основного варианта системы) извлекают из водоносной формации и повышают ее температуру до 49 °С. В процессе отдачи теплоты окружающему воздуху вода остывает до 16 °С и ее возвращают обратно в горизонт через вторую скважину. Температурный фронт движется по водоносной породе между обеими скважинами. Количество извлекаемой и нагнетаемой воды одинаково; чистый расход подземной воды равен нулю.

При использовании воды для охлаждения весь процесс протекает в обратном порядке. Холодную воду температурой 16 °С откачивают из водоносной формации, и она поглощает теплоту, в результате чего происходит кондиционирование воздуха. Теплая вода температурой 27 °С нагнетается обратно в горизонт. Как и при обогреве поме-щений, чистый расход воды равен нулю. В ходе этого процесса температурный фронт перемещается между скважинами в обратном направлении.

Теплонасосные установки и система аккумулирования тепловой энергии соединены между собой с помощью двухтрубной системы распределения воды. По одной линии поступает теплая вода, по другой - холодная. Если понадобится нагрев, теплонасосная установка отбирает воду из линии теплой воды, а после того, как вода отдала свою теплоту, сбрасывает ее в линию холодной воды. Обогрев и охлаждение могут происходить одновременно. Насосы, находящиеся в обеих скважинах, обеспечивают постоянное наполнение соответствующих магистральных трубопроводов теплой и холодной водой. Для аккумулирования используются местные водоносные горизонты, так что протяженность трубопроводов невелика. Теплоизоляция труб не нужна, поскольку они уложены в траншею, и их температура мало отличается от температуры грунта. Для уменьшения стоимости самих трубопроводов и их прокладки рекомендуется в большинстве случаев использовать трубы из поливинилхлорида (рис. 5). Стальные и чугунные трубы следует применять лишь при очень больших расходах, которые обычно имеют место при обслуживании крупных городских районов.

Рис. 5. Трубы из поливинилхлорида

Чтобы создать действенную аккумулирующую систему с использованием тепловых насосов, надо сделать эту систему коммунальной. Тогда стоимость сооружения двух скважин распределится между несколькими потребителями. По техническим соображениям система аккумулирования тепловой энергии должна иметь емкость выше минимально допустимой, чтобы гарантировались необходимые масштабы накопления энергии. Управление системой следует поручить местной организации, которая обеспечит разработку, сооружение, обслуживание системы и возьмет ее под свой контроль.

Теплонасосные установки могут быть самыми различными - от небольшого теплового насоса (для жилого дома на одну семью или для квартиры крупного здания) до больших центральных установок (для обслуживания многоэтажного здания). Для одновременного отопления и охлаждения помещений можно создать обмен горячей и холодной водой между установками, чтобы вода вообще не циркулировала через скважины и водоносный горизонт. Две скважины или группа спаренных скважин, система с водоносным горизонтом в качестве аккумулятора тепловой энергии и тепловые насосы, находящиеся на определенном участке коммунальной системы обогрева и охлаждения, образуют в совокупности так называемый модуль. Соединяя между собой модули, можно повысить надежность и увеличить размеры всей системы в целом; в результате этого сокращаются расходы на строительство и техническое обслуживание, можно также уменьшить количество людей, занимающихся эксплуатацией системы. Например, вышедший из строя насос можно будет исправить в любое удобное время, а не обязательно сразу, как только он вышел из строя, так как насос другого модуля сможет взять на себя дополнительную нагрузку. Модули можно подключать к системе поочередно в целях планомерного расширения сети теплонасосных установок, принадлежащих населению жилого массива.

Система работает не на дефицитных видах топлива, а на электроэнергии, поступающей с пылеугольных, мазутных, газовых ТЭС, а также с атомных и гидравлических станций. Тепловой насос с отбором низкопотенциальной теплоты из воды, работающий в абсорбционном цикле с нагревом генератора, можно включить в систему, если имеется источник сбросной теплоты.

Предлагаемую конструкцию можно использовать в любой системе отопления и охлаждения, расположенной на незначительном расстоянии от водоносного горизонта, если он обладает достаточно большой водоотдачей. Именно такие условия существуют на территории, составляющей 60 % континентальной части США, с населением, численность которого равна 75 % всего населения страны. Над водоносными формациями, пригодными для аккумулирования, находятся деловые и торговые центры, крупные жилые массивы. Чем выше плотность населения, тем выгоднее сооружать подобные системы. Везде, кроме юга Флориды и отдельных районов Калифорнии, где круглый год тепло, система позволит сэкономить значительные сред-ства на стоимости теплоносителей, особенно с учетом непрерывного удорожания энергии. Даже при современном уровне технологии такими системами могут быть в ближайшие годы охвачены 72 млн домашних хозяйств и 14,6 млн коммерческих предприятий в США.

В странах Западной Европы сложилась следующая ситуация: на 2015 г. в Бельгии эксплуатировалось примерно 1130 таких систем, в Нидерландах их количество увеличилось с 2000 в 2012 г. до 2500 в 2015 г.

Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), стоимость монтажа систем аккумулирования теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов в 2005 г. составляла от 200 до 1150 евро за 1 кВтт, при снижении ее к 2030 г. на 15 %. В отчете фирмы Terra Energy 2012 г. для большой системы (700 кВтт) было показано, что стоимость ее монтажа составляет 1179 евро за 1 кВтт, а динамический срок окупаемости - 7,5 лет.

Статья из журнала "Аква-Терм", № 3 /2016. Рубрика "Отопление и ГВС"

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Жидкостные тепловые аккумуляторы. Физические основы для его создания. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах. Особенности тепловых аккумуляторов с твёрдым теплоаккумулирующим материалом. Конструкция теплового аккумулятора фазового перехода.

реферат , добавлен 18.01.2010


Особенности конструкции разработанной фритюрницы для приготовления картофеля фри. Расчет полезно используемого тепла. Определение потерь тепла в окружающую среду. Конструирование и расчет электронагревателей. Расход тепла на нестационарном режиме.

курсовая работа , добавлен 16.05.2014


Общие сведения о солнце как источнике энергии. История открытия и использование энергии солнца. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Сущность и виды солнечных батарей. "За" и "против" использования солнечной энергии.

реферат , добавлен 22.12.2010


Характеристика Солнца как источника энергии. Проектирование и постройка зданий с пассивным использованием солнечного тепла, способы уменьшения энергопотребления. Виды концентрационных станций, конструкции активной гелиосистемы и вакуумного коллектора.

реферат , добавлен 11.03.2012


Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Элементы солнечных батарей. Регуляторы зарядки и разрядки аккумуляторов, отбора мощности батареи. Технические характеристики, устройство и принцип работы современных термоэлектрических генераторов.

реферат , добавлен 16.02.2015


Характеристика возобновляемых источников энергии: основные аспекты использования; преимущества и недостатки в сравнении с традиционными; перспективы использования в России. Способы получения электричества и тепла из энергии солнца, ветра, земли, биомассы.

курсовая работа , добавлен 30.07.2012


Расчет расхода тепла на отопление, вентиляцию, горячее водопотребление. Графики часового и годового потребления тепла по периодам и месяцам. Схема теплового узла и присоединения теплопотребителей к теплосети. Тепловой и гидравлический расчет трубопровода.

курсовая работа , добавлен 25.01.2015


Определение параметров цикла со смешанным подводом теплоты в характерных точках. Политропное сжатие, изохорный подвод тепла, изобарный подвод тепла, политропное расширение, изохорный отвод тепла. Количество подведённого и отведённого тепла, КПД.

контрольная работа , добавлен 22.04.2015