Системи акумулювання теплової енергії

. енергетична безпека та прозорість відносин в енергетиці.

Пошук по сайту

Московський час

Системи акумулювання теплової енергії

Загальні відомості. Однією з ключових проблем нетрадиційної насамперед сонячної енергетики є проблема теплового акумулювання. Теплові акумулятори ефективно використовуються також у комплексі з вітроелектричними агрегатами, фотобатареями та у традиційній енергетиці для зняття пікових навантажень.

Теплове акумулювання - це фізичний або хімічний процес, через який відбувається накопичення тепла в тепловому акумуляторі енергії.

Тепловими акумуляторами (ТА) називають пристрої, що забезпечують протікання оборотних процесів накопичення, зберігання та віддачі теплової енергії відповідно до потреб споживача.

Акумулювання тепла в різних енергосистемах орієнтоване насамперед на опалення та гаряче водопостачання. Застосування акумуляторів тепла у водонатрівальній системі дозволяє пристосовувати її до умов попиту на гарячу воду, що змінюється протягом доби. Застосування різних способів накопичення теплової енергії при використанні сонячних енергетичних установок дозволяє подолати проблему, зумовлену добовою періодичністю та мінливістю надходження сонячної енергії. Навіть в умовах безхмарного неба необхідну кількість енергії за відповідної температури теплоносія можна отримати лише протягом кількох годин до і після полудня. Наприклад, сонячні енергетичні установки, призначені для опалення приміщень, підтримують температуру теплоносія на рівні 60° лише близько трьох годин на добу. Оскільки в подібних системах періоди споживання та одержання енергії не збігаються,накопичувати її необхідно в одні періоди доби, а використовувати в інші.

Практичне застосування різних типів теплових акумуляторів пов'язано в першу чергу з визначенням оптимальних робочих характеристик, з вибором недорогих і ефективних конструкційних матеріалів і теплоакумулюючих середовищ.

Ефективність теплового акумулятора за інших рівних умов визначається масою та обсягом теплоакумулюючого матеріалу (ТАМ), необхідного для забезпечення заданих параметрів процесу.

Класифікація теплових акумуляторів проводиться відповідно до кількох основних ознак:

за природою акумулювання:

теплоємнісні (TEA),
акумулятори з фазовим переходом (АФТ),
термохімічні акумулятори (ТХА);

за рівнем робочих температур:

низькотемпературні (до 100 ° С) ТА,
середньотемпературні ТА (від 100 до 400 ° С),
високотемпературні ТА (понад 400 ° С);

за тривалістю періоду заряд-розряд ТА:

короткострокові (до 3-х діб),
середньострокові (до 1 місяця),
міжсезонні (до півроку).

Вибір та конструювання ТА проводиться з урахуванням параметрів енергосистеми та споживача теплової енергії. Як правило, в нетрадиційній енергетиці використовуються короткострокові або середньострокові низькотемпературні теплоємні акумулятори і акумулятори з фазовим переходом.

При розгляді характеристик акумулюючих та теплообмінних середовищ, які застосовуються в тепловому акумуляторі, можна виділити такі основні різновиди теплового акумулювання:

пряме акумулювання теплової енергії - акумулюючою і теплообмінною речовиною є те саме середовище; акумулююче середовище може бути твердим,рідкої, газоподібної або двофазної (рідина + газ);
непряме акумулювання - енергія акумулюється за допомогою теплообміну (наприклад, теплопровідністю через стінки резервуара) або внаслідок масообміну спеціального теплообмінного середовища (у рідкому, двофазному або газоподібному стані). Акумулююче середовище може бути твердим, рідким або газоподібним, процес може протікати без фазового переходу або з фазовим переходом (тверде тіло-тверде тіло, тверде тіло-рідина, рідина-пар);
напівпряме акумулювання - процес проходить, як у другому випадку, за винятком того, що акумулююча ємність теплообмінного середовища відіграє найважливішу роль;
сорбційне акумулювання - у цьому випадку використовується здатність деяких акумулюючих середовищ абсорбувати гази з виділенням або поглинанням тепла при десорбції газу. Передача енергії може відбуватися безпосередньо у формі тепла або за допомогою газу.

Технічне рішення. Широкий спектр проблем при застосуванні акумуляторів тепла та велика різноманітність методів акумулювання призводять до різних технічних рішень, причому для кожного конкретного випадку впровадження ТА в енергетичну систему на основі нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії потрібне проведення детальних досліджень та розрахунків. Акумулювання тепла за рахунок теплоємності найменше ефективно, низька теплоємність багатьох доступних теплоакумулюючих матеріалів повинна компенсуватися використанням великих обсягів ТАМів, розряд акумуляторів характеризується змінною температурою. Ці акумулятори ще називаються теплоємними (TEA), так як їхня робота заснована на використанні теплоємних характеристик різних твердих і рідких речовин.

Акумулятори, що використовують теплові ефектиоборотних фазових переходів (АФП), характеризуються більш високою щільністю теплового потоку при малому обсязі ТАМів та практично постійною температурою розряду. Однак даний метод має свої недоліки: по-перше, вартість ТАМів з фазовим переходом вища за вартість традиційних теплоємнісних матеріалів (камінь, вода, гравій), по-друге, теплообмін в АФП вимагає наявності розвиненої поверхні теплопередачі, що значно збільшує їхню вартість. Тому під час розробки ТА має враховуватися як вартість ТАМів, а й вартість пристрою АФП з урахуванням доступності акумулюючих і конструкційних матеріалів.

Щільність енергії в акумуляторах на основі оборотних хімічних реакцій (так звані термохімічні акумулятори — ТХА) вища за щільність енергії в АФП і значно вища, ніж у TEA. Принцип роботи ТХА заснований на акумулюванні енергії, яка поглинається та звільняється при розриві та створенні молекулярних зв'язків у повністю оборотних хімічних реакціях. При створенні ТХА існують значні труднощі, зумовлені невеликою кількістю дешевих хімічних сполук, придатних для ТХА та виділенням газів у процесі хімічних реакцій.

Таким чином, на практиці широко використовують теплоємні акумулятори та акумулятори з фазовим переходом. Вони рекомендуються як для промисловості з використанням значних обсягів, так і в індивідуальних господарствах та технологічних процесах. Акумулятори ТХА можуть бути рекомендовані лише у випадках з використанням безпечних технологій. Теплове акумулювання. Для створення ефективних теплових акумуляторів необхідно вирішити такі першочергові завдання:

впровадження теплоакумулюючих матеріалів з високими питомими енергетичними характеристиками, великим ресурсомроботи та широким діапазоном робочих температур;
вибір конструкційних матеріалів з високими теплотехнічними та корозійностійкими характеристиками;
створення оптимальних конструкцій ТА в залежності від функціонального призначення, джерела енергії та потреб споживачів.

При виборі робочих речовин для теплових акумуляторів необхідно враховувати енергетичні та експлуатаційні характеристики як джерела енергії, так і самого акумулятора. Основними робочими характеристиками ТАМів є: питома енергія, робочий діапазон температур, стабільність та безпека у роботі, низька корозійна агресивність, недефіцитність та невисока вартість. При використанні ТАМів гідратів солей звертають увагу на їх здатність приєднувати і втрачати молекулу води при нагріванні та охолодженні.

В залежності від ряду факторів тепловий акумулятор може мати постійні або змінні показники маси, об'єму та тиску. Постійна маса (dMaK = 0) — як правило, для випадку непрямого акумулювання, проте може бути такою і при прямому акумулюванні, якщо частина маси, що перемішується після охолодження (розряд ТА) або нагрівання (заряд ТА) повністю повертається в акумулятор. Змінна маса (dMaK ф 0) завжди у разі прямого акумулювання. Постійний обсяг (dVaK = 0) – для випадку акумулювання у закритих резервуарах. Змінний об'єм (dУлк ф 0) — для акумулювання в умовах атмосферного тиску або за допомогою спеціального компресійного обладнання.