Накопители тепловой энергии

Аккумуляторы тепловой энергии и их применение

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 18.04.2016 2016-04-18

Статья просмотрена: 4942 раза

Библиографическое описание:

Аллахвердян, Н. Л. Аккумуляторы тепловой энергии и их применение / Н. Л. Аллахвердян. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 8 (112). — С. 174-176. — URL: https://moluch.ru/archive/112/28496/ (дата обращения: 27.08.2021).

Вопросы энергосбережения и энергоэффективности вызывают все больший интерес с каждым годом во всем мире. Аккумулирование энергии позволяет сберечь энергию и обеспечить резерв в случае внезапного прекращения работы основного источника энергии. Рассмотрены виды аккумулирования энергии и способы их применения во всех современных сферах деятельности человека.

Ключевые слова: аккумулирование, тепловой накопитель, энергоэффективность, энергосбережение, отопление.

Энергетика является одной из ведущих отраслей современного хозяйства. В настоящее время одним из ключевых направлений развития современной экономики является энергоэффективность.

Тепловое аккумулирование — это химические или физические процессы, которые позволяют накапливать тепло в тепловом аккумуляторе. Тепловой аккумулятор состоит из резервуара для хранения, аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и вспомогательного оборудования. Одним из способов сбережения энергии является использование так называемых аккумуляторов энергии (тепловых накопителей). Подобные установки способны сберечь энергию и обеспечить резерв в случае внезапного прекращения работы системы отопления.

Основной целью аккумулирования энергии является преодоление, сглаживание несоответствий между подачей энергии потребителю и его реальными потребностями. Еще одной важной задачей аккумулирования энергии является выравнивание выработки энергии, то есть уменьшение подачи в период пиковых нагрузок и заполнение провалов тогда, когда энергия почти не используется.

Тепловые накопители (аккумуляторы), как правило, работают на принципе накопления — выделения внутренней энергии. Это достигается за счет химических или физических процессов внутри аккумулятора. Например, за счет нагревания, охлаждения жидких или твердых тел, плавления и других обратимых реакций. [1–2]

Нельзя обойти стороной так же вопрос экономической целесообразности, так как аккумулирование энергии позволяет значительно уменьшить затраты потребителя. Простой пример ячейки теплового накопителя приведен на рисунке 1.

Вокруг канала с протекающим по нему теплоносителем расположено теплоаккумулирующее вещество. При заряде температура теплоносителя на входе в накопитель больше температуры на выходе из него. Протекая по каналу и остывая, горячий теплоноситель отдает энергию теплоаккумулирующему материалу.

Рис. 1. Расчетная схема теплового накопителя с однофазным теплоаккумулирующим материалом

Накопление энергии происходит за счет теплоемкости, температура материала возрастает. При разряде температура теплоносителя на входе в накопитель меньше температуры на выходе из него. Протекая по каналу, холодный теплоноситель нагревается за счет остывания теплоаккумулирующего материала. Температура материала понижается. [3]

По аккумулирующей среде можно установить следующую классификацию аккумуляторов тепла:

– прямое аккумулирование (теплообмен и аккумулирование происходят в одной среде)

– косвенное аккумулирование (только теплообмен, процесс может протекать с фазовым переходом и без)

– сорбционное (основано на способности некоторых веществ абсорбировать газы с выделением тепла)

На сегодняшний день существует большое количество разных видов аккумуляторов энергии: паровые, жидкостные, с электронагревательным элементом, пневматические, со скользящим давлением, с постоянным давлением.

Применение тепловых накопителей вразличных отраслях

Самым распространенным и привычным для нас примером теплового накопителя в жилищно-коммунальном хозяйстве является накопительный водонагреватель. Подобная установка нашла широкое применение в домах, квартирах, дачах, а так же в промышленных зданиях, общественных центрах и т. д. и т. п. Устройство таких водонагревателей одновременно очень простое и экономически эффективное.

Но в жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий. В случае отопления помещений применяется аккумулирование с использованием тепла фазового перехода (замораживание воды при 0°С). В странах, где затраты на охлаждение летом очень высоки и соизмеримы с затратами на отопление в летнее время, целесообразно применять аккумулирование посредством льда. Это позволяет получить двойной эффект от системы отопления. Возможности применения тепловых накопителей в жилищно-коммунальном хозяйстве активно обсуждаются в Европе и США.

Еще одним современным примером теплового накопителя является топливный двигатель на солнечной энергии. Он применяется преимущественно в авиационной и космической технике. Работа солнечного теплового двигателя обеспечивается подведением энергии с помощью внешней концентрирующей системы к поглощающей поверхности приемника двигателя. Рабочее тело двигателя протекает внутри приемника и нагревается. Поступая затем в обычное реактивное сопло, оно расширяется и создает тягу [3–5].

Термодинамический цикл солнечного термического двигателя приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Идеальный термодинамический цикл солнечного термического двигателя

Области применения солнечных термических двигателей:

– перевод спутников с низких околоземных орбит на геостационарные

– очистка космического мусора

– полеты до орбит других планет Солнечной системы, включительно до орбиты Марса (двигатели мощностью 1–5 МВт);

– поддержание орбит долговременных орбитальных станций (двигатели мощностью 10–20 кВт).

Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы. В данном случае, главное целью их работы является обеспечение бортовых потребителей тепловой энергией необходимого качества и в достаточном количестве. Так как пуск судового дизеля должен происходить в некоторых случаях при температуре не ниже +15–20 градусов Цельсия, то соответственно необходим подогрев дизеля при низких температурах. Для этой цели могут применяться различные установки, например, дополнительные котлы и водоводяные холодильники. Для подогрева аккумулятора целесообразно использовать накопленное ранее отводимое тепло самого дизеля. Это позволяет отказаться от дополнительного расхода горюче-смазочных материалов. Экономия зависит от условий эксплуатации и может составлять от сотен килограммов до нескольких тонн.

Применение теплового накопителя энергии позволяет снизить не только расход горюче-смазочных материалов, но также общее количество вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду при работе дизеля.

Дорожные и транспортные средства с аккумуляторами теплоты. Тепловое аккумулирование в транспортных средствах представляет собой частный случай аккумулирования энергии для получения дополнительной мощности там, где в дополнение к временному несоответствию также возникает и локальное несоответствие между подачей и потреблением энергии. Определяющим фактором применения аккумулятора в транспортных средствах являются его объем и масса. Тепловые и пневматические накопители в транспортных средствах применяются наряду с электромеханическими, маховичными накопителями кинетической энергии и аккумуляторами топлива.

В промышленных установках для кратковременного аккумулирования энергии широко применяются твердотельные регенераторы и аккумуляторы пар (горячая вода). Так же могу использоваться накопители, работающие на энергии воды нормального или повышенного давления. Основой задачей аккумуляторов энергии в промышленности является не столько непосредственная экономия энергии, сколько снижение потребления энергии извне, особенно в случае установок с комбинированной выработкой электричества и тепла. [3–8]

Системы теплового аккумулирования энергии нашли широкое применение в энергетических установках, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и транспортных средствах. Интерес к ним растет как в западных странах, так и в России. Так как вопросы энергоэффективности и энергосбережения всегда остаются актуальными, основные принципы аккумулирования энергии найдут свое применение и в будущих технологиях.

  1. Бекман Г, Гилли П. В. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Мир, 1987. — 269 с.
  2. Левенберг В. Д. Аккумулирование тепла. — К.: Техника, 1991.
  3. Куколев М. И.. Основы проектирования тепловых накопителей энергии — Петрозаводск, 2001.
  4. Сотникова, О. А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения / Журнал «АВОК». — 2003. — № 5.
  5. Аладьев И. Т., Рзаев А. И., Филатов Л. Л. Аккумуляторы тепла фазового перехода для солнечных электростанций с натриевым теплоносителем // Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанций и экономии энергии: Матер. Все-союз. науч.–техн. совещания. Часть 2. — М.: ЭНИН, 1986. — С. 157–163.
  6. Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 1985. — 320 с.
  7. Астахов Ю. Н., Веников В. А., Тер-Газарян А. Г. Накопители энергии в электрических системах. — М.: Высшая школа, 1989. — 160 с.
  8. Висканта Р. Теплообмен при плавлении и затвердевании металлов // Современное машиностроение. Серия А. — 1989. — № 6. — С.119–139.

Теплоаккумулятор-что это такое и для чего он нужен

Пост опубликован: 30 марта, 2020

Теплоаккумуляторы и их виды

Уловить и сконцентрировать солнечную тепловую энергию, дело не хитрое, ещё 280 млн. лет назад так выживали диметродоны. Сохранить её чтобы потом использовать для обогрева жилища, помогают теплоаккумуляторы. Но на постсоветском пространстве, технологии тепловых аккумуляторов практически не известны, лишь энтузиасты осваивают эту категорию автономного энергообеспечения.

Теплоаккумуляторы сохраняют тепловую энергию в сконцентрированном виде, получая её из источника тепла.Солнечные коллекторы и солнечные концентраторы идеально интегрируются с тепловыми аккумуляторами для бесплатного отопления.

Место теплоаккумуляторов в сегменте альтернативной энергетики

Градацию аккумуляторов тепла удобнее всего проводить в трёх плоскостях:

  1. По продолжительности хранения.
  2. По используемым технологиям.
  3. По масштабу интеграции в имеющуюся инфраструктуру.

Изучать теоретически все аспекты хранения тепла необходимо, чтобы выбрать наиболее оптимальный вариант для практического применения. На Западе и в Америке, данные технологии по большей части получили распространение в крупных проектах. Например, в Германии, Бельгии и Дании, есть целые жилые кварталы частной застройки, которые подключены к локальной автономной системе аккумуляторов тепла. И зимой экономия на отоплении у них достигает 70-80% от обычных расходов.

Читайте также  Выбор уставки теплового реле

В Канаде уже 14 лет успешно функционирует система хранения тепловой энергии, которая обеспечивает 97%(!) тепла для небольшого городка «Дрейк Лендинг».

Эффективность такого способа отопления доказана не теоретически, а на практике! Однако есть гигантское расхождение в способах реализации таких систем на постсоветском пространстве и в странах Западного мира. Но об этом будет в конце статьи.

Продолжительность хранения тепла

Периодичность инсоляции рассматривается в двух вариантах:

  • День – ночь;
  • Лето – зима.

Соответственно и тепловые аккумуляторы будут иметь такую же цикличность. В первом случае, они накапливают энергию днём, а отдают её ночью. Во втором варианте, тепло аккумулируется на протяжении всего летнего периода, а зимой используется по назначению. Из такого деления сразу приходит представление о масштабах теплоаккумуляторов.

В проектах суточной цикличности, достаточно разместить на своём участке 1-3 солнечных коллектора и грамотно подключить их к системе водяного отопления.

Объём накопителя, количество коллекторов и аспекты реализации проекта детализируются исключительно с привязкой к конкретному объекту. Например, уровень инсоляции в Мукачево, Краснодаре, Актюбинске и Бурятии, достаточно сильно различается. Хотя все эти регионы находятся приблизительно на одной широте.

Теплоаккумуляторы с цикличностью «Лето-зима», имеют неизмеримо больший потенциал и в подавляющем большинстве реализованных проектов, именно такая система заложена в фундамент альтернативного энергообеспечения. Однако увеличение объёма теплоаккумулятора, на стоимость всей системы влияет не линейно!

Условно линейную зависимость можно представить в следующей схеме:

  • Система суточной цикличности для конкретного дома обошлась в 1000 рублей;
  • Условно в году 183 тёплых и столько же холодных суток;
  • Значит, система суточной цикличности должна стоить в 183 раза дороже, т.е. 183 т.р.

Фактическое увеличение стоимости будет на порядок меньше!

Но грамотный проект предусматривает подзарядку теплоаккумулятора от солнечных коллекторов или солнечных концентраторов даже в короткие зимние дни.

Технологии теплоаккумуляторов

В этой категории более сложная структура градации, и она сопряжена с масштабностью решаемых задач. Прежде всего, теплоаккумуляторы делятся на:

  • Высокотемпературные;
  • Низкотемпературные.

Чёткой границы температур между этими двумя категориями нет. Но высокотемпературные схемы чрезвычайно сложны и в частном домостроении не используются. Температура рабочего тела в них поднимается до 1400˚C. Поэтому там используют расплавы металлов и даже кремния.

Более адаптированы к частному сектору низкотемпературные системы. Чаще всего низкотемпературные теплоаккумуляторы используют в качестве рабочего тела:

  • Воду;
  • Гравий;
  • Бетон;
  • Грунт.

По способу размещения на участке, есть несколько схем, которые очень напоминают обычный тепловой насос.

Простейший вариант, это укладка трубопровода в грунт, на глубине 5-7 метров. Затем он засыпается смесью гравия и песка, сверху обязательно формируется слой теплоизоляции. Подобные системы строили в Дании ещё 25 лет назад. Но они были малоэффективны, хотя экономия достигала 20-25%.

Более сложные тепловые аккумуляторы формируются ещё до постройки дома. В глубоком котловане проводят тепло и гидроизоляцию, обустраивая «огромный короб». Его заполняют рабочим веществом, с одновременной укладкой труб.

Для этого даже был изобретён специальный модульный теплоаккумулирующий кирпич – Фиолит.

Сверху этот теплоаккумулятор замуровывается слоем изолятора, отсыпается слой грунта и уже потом строят дом.

Есть проекты, в которых теплоаккумулятор встраивается в саму конструкцию дома, как центральная колонна. Диаметр такой конструкции 2-3 метра и проходит она от крыши до фундамента.

Во всех вариантах, обязательна очень серьёзная теплоизоляция.

Есть менее распространённые, но крайне эффективные теплоаккумуляторы, принцип работы которых основан на экзотермической реакции растворения химических реактивов. В частности, швейцарские разработчики спроектировали теплоаккумулятор работающий на растворении гидроксида натрия (NaOH).

NaOH капельная спираль

В бункере находится NaOH, при добавлении воды по капельной спирали, он разогревается до 60-70˚C и тепло используется для обогрева. В летние месяцы, горячий теплоноситель из солнечного концентратора выпаривает воду из раствора, и к зиме в бункере остаётся сухой реактив.

Вся система герметична, так как NaOH очень едкое вещество. Но зато швейцарские изобретатели уверяют, что тепло запасённое таким способом, можно даже перевозить частями!

Масштаб проекта

Важная категория, которая сказывается на стоимости. В простейшем виде её можно представить как систему для:

  • Одного дома;
  • 2-4 домов;
  • Жилого квартала/посёлка.

Характеристики проекта Okotoks (около Калгари, Канада):
• Теплоаккумулятор построен в 2007 году;
• Объём = 34000 куб. м.;
• В его составе 144 скважины глубиной по 35 м;
• Извлечено тепла 243 000 кВт (отчётный период с 01.07.09 по 30.06.10);
• Утрачено тепла 451 000 кВт (за тот же период);
• Средняя температура центральной части теплоаккумулятора 54,1˚C.

Зависимость цены заметно на примере. В проекте Okotoks (Канада), участвуют 52 дома площадью около 130 м 2 каждый. Теплоаккумулятор представляет собой 144 скважины по 35 метров глубины.

Летом через комплект солнечных концентраторов он нагревается до 70˚C, и на 97% обеспечивает теплом все дома в течении зимнего сезона.

Однако любой инженер скажет, что если изолировать один дом и сделать 3 скважины (≈144/52) такой же глубины, то ёмкости теплоаккумулятора хватит всего на 2-3 недели.

Поэтому в каждом случае, обустройство накопителя тепловой энергии начинается с теплотехнических расчётов. Это очень сложная процедура, и ошибки допускают даже профессионалы, вот ещё один пример в сравнении эффективности двух систем.

Выводы для практического применения

Система тепловых аккумуляторов обходится дешевле, при её обустройстве в масштабе нескольких домостроений. Но дешевле в перерасчёте на каждый дом, а общая сумма капиталовложений достаточно серьёзная.

На Западе, все масштабные проекты теплоаккумуляторов спонсируются национальным правительством, которое заботиться не только о своих гражданах, но и об общей экономии энергоресурсов.

Если снять «розовые очки», и сопоставить все законы и решения абсолютно любого правительства на постсоветском пространстве, надо честно сказать – социальная политика вообще не принимается в расчёт. А поэтому надеется надо только на себя, не ожидая помощи государства.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Устройство и схемы подключения теплоаккумулятора в систему отопления

Теплоаккумулятор — агрегат для собирания и увеличения тепла с целью его дальнейшего применения. Устройство используется в частных домах, квартирах, на предприятиях, а также для предпускового прогрева двигателей. Аккумулятор тепла для системы отопления позволяет уменьшить энергетические затраты на обогрев помещений и горячее водоснабжение. Агрегаты устанавливаются в обвязку твердотопливного котла либо подключаются в гелиосистему.

  • 1. Назначение агрегата
  • 2. Устройство и принцип действия
  • 3. Виды тепловых аккумуляторов
  • 4. Популярные модели
  • 5. Типовые схемы подключения

Работа твердотопливного котла в системе отопления представляет собой некоторую цикличность. Сначала в него закладывают топливо, разжигают, а затем котел постепенно выходит на максимальную мощность и передает тепловую энергию через теплоноситель в систему отопления.

Закладка дров постепенно прогорает, теплоотдача уменьшается, и теплоноситель остывает. В период пиковой мощности часть тепловой энергии остается невостребованной, а во время догорания топлива ее, наоборот, будет недостаточно. Для повторения цикла следует опять осуществить закладку твердого топлива.

Частично эту проблему может решить пиролизный котел длительного горения, но во время его работы часто не совпадают пики выработки и потребления тепловой энергии. Для разрешения такой ситуации устанавливается энергоаккумулятор для системы отопления, который известен как буферная емкость или тепловой накопитель.

В основу действия этого агрегата заложена высокая теплоемкость воды. Если в период максимальной мощности котла нагреть некоторое количество воды, тогда впоследствии ее энергетический потенциал можно будет использовать для нужд отопления.

Например, вода при остывании на 1° C может нагреть 1 м³ воздуха на 4° C. Самый простой теплоаккумулятор для котлов отопления представляет собой вертикальную емкость с четырьмя врезанными в разные стороны патрубками. Существуют теплонакопители с разнообразными аккумулирующими материалами:

  • твердотельные;
  • паровые;
  • жидкостные;
  • термохимические;
  • с нагревательным элементом (ТЭНом).

С одной стороны корпуса два патрубка подсоединяются к трубопроводам котла, а с другой — к системе отопления. После запуска нагревателя циркуляционный насос начинает прокачивать теплоноситель через буферный бак.

В нижнюю часть накопителя поступает холодный теплоноситель, а в верхнюю — горячий. Из-за существенной разницы в плотности вода перемешиваться не будет, а горячий теплоноситель постепенно заполнит всю емкость.

Обычно объем термоаккумулятора для отопления рассчитывается таким образом, чтобы одной закладки топлива хватило для полного заполнения емкости горячей водой. То есть вся энергия котла, исключая потери, преобразуется в тепловую, которая будет накоплена в аккумуляторной емкости.

Теплоизоляция позволяет сохранять высокую температуру воды в течение длительного времени. Когда котел перестает работать, система обогрева продолжает функционировать. Благодаря насосу горячая вода из аккумулятора поступает в трубопроводы и приборы отопления дома.

Читайте также  Как гнуть тепловые трубки?

На место горячего теплоносителя в буферную емкость через нижний патрубок из обратной линии трубопровода снова поступает остывшая вода. При использовании электрического котла схему отопления с теплоаккумулятором можно использовать в ночное время, когда действует льготный тариф.

Все накопители представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары. Отличаются они друг от друга только элементами, расположенными внутри конструкции. Существует несколько типов термоаккумуляторов:

  1. 1. Простая конструкция. Подключение емкости проводится непосредственно к контурам котла и системы отопления. Такие накопители применяются для использования одного типа теплоносителя, если его давление в контурах не превышает показателей котла и теплоаккумулятора. При различных значениях давления необходимо подключить в схему дополнительный внешний теплообменник.
  2. 2. Емкость с внутренним теплообменником. Внизу нее находится трубчатая спираль из нержавеющей стали. В зависимости от конструкции возможна установка нескольких теплообменников. Применяются такие аккумуляторы, когда давление и температура теплоносителя в контуре обогревателя значительно превышают допустимые показания на линиях потребителей при подключении нескольких источников тепла. Например, котловое оборудование применяется совместно с солнечным коллектором. При использовании в контурах разных видов теплоносителей устанавливают накопительные емкости с теплообменниками. В таких термоаккумуляторах происходит активное смешивание горячего теплоносителя с остывшим.
  3. 3. Наличие в баке проточного контура ГВС. В такой конструкции теплообменник обычно устанавливается в верхней части накопителя. Такая схема используется при равномерном водоразборе горячей воды. Теплообменник выполнен из нержавеющей пищевой стали.
  4. 4. Термоаккумулятор с баком для запаса ГВС. Схема напоминает устройство бойлера косвенного нагрева. Используется накопитель такой конструкции в условиях частого пикового разбора горячей воды для хозяйственных нужд.

Все подобные конструкции могут выпускаться в различных вариациях в зависимости от сложности схемы отопления, количества и видов используемых нагревателей и водяных контуров. Сложные устройства легко определить по многочисленным патрубкам, выходящим из емкости.

В зависимости от котлового оборудования и количества потребителей тепловой энергии выбирают подходящую модель буферной емкости. Аккумулятор можно приобрести с перспективой будущих подключений дополнительных приборов, а подключенные патрубки временно заглушить. В десятку популярных устройств входят следующие модели:

  1. 1. Nibe BU 500.8 применяется в системах отопления с разными источниками тепла. Отличается пенополистирольной изоляцией толщиной 14 см. Емкость бака составляет 500 л, предельное давление — 6 бар, а максимально допустимая температура — 95° C.
  2. 2. ETS 200 представляет собой ряд блоков из композитного материала, размещенных внутри стального корпуса. Их нагрев осуществляется электрическими ТЭНами мощностью 2 кВт. Внутри установлен вентилятор для ускорения процесса нагрева.
  3. 3. HAJDU AQ PT 500 — буферный накопитель, предназначенный для работы в закрытой системе отопления. Подключается в схему отопления с разными типами нагревателей. Бак рассчитан на максимальное давление 3 бар. К недостаткам можно отнести отсутствие внутреннего антикоррозийного покрытия и теплоизоляции. Их устанавливают отдельно.

Стоит также отметить такие виды теплоаккумуляторов, как S-Tank AT 300, Electrotherm ETS, Buderus Logalux P 500−1000/5 и т. д.

Существует несколько схем подключения теплоаккумулятора. Подающий трубопровод от котлового оборудования подсоединяется в верхней области корпуса емкости. С противоположной стороны на таком же уровне подключается подача, идущая на приборы отопления.

Линия обратного трубопровода входит в нижнюю часть бака, на таком же уровне выходит с противоположной стороны и подключается в нагреватель. Это самая простая схема, которая позволяет осуществлять только регулировку количества теплоносителя. Другие способы:

  1. 1. С трехходовым клапаном. Подающий и обратный трубопровод системы соединяются байпасом через клапан. Такое подключение позволяет проводить качественную регулировку теплоносителя и изменять его температуру. Накопленной баком энергии хватает на длительный срок.
  2. 2. Подключение через внутренний теплообменник. Внутри в нижнем пространстве емкости проходит витой трубопровод, который соединяют с котлом. Выход на радиаторы отопления находится вверху емкости, а обратный трубопровод подключают к нижней части бака. Такая схема дает возможность применять разного рода теплоносители. Давление в котловом контуре выше, чем в трубопроводах батарей.
  3. 3. Установка дополнительного теплообменника. Котел соединяют с буферной емкостью последовательно через внешнее теплообменное устройство. Обычно такой способ применяют, если не хватает мощности внутреннего змеевика для нагрева теплоносителя.

Кроме такого оборудования в схемы устанавливают циркуляционные насосы, температурные датчики и элементы группы безопасности. Это позволяет более эффективно использовать теплоаккумулятор для отопления.

Накопители энергии в электрических системах — Тепловые накопители энергии

Содержание материала

  • Накопители энергии в электрических системах
  • Введение
  • Тенденции развития потребителей энергии
  • Основные направления развития генерирующих мощностей
  • Накопители энергии — новая структурная единица
  • Параметры сопоставления накопителей энергии
  • Гидроаккумулирующие электростанции
  • Магнитогидродинамические электростанции
  • Тепловые накопители энергии
  • Накопители электрической энергии
  • Топливные элементы
  • Емкостные накопители энергии
  • Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии
  • Линейные накопители электрической энергии
  • Сравнение типов накопителей энергии
  • Режимные параметры накопителей энергии
  • Режимы потребления электроэнергии
  • Экономико-математическая модель электроэнергетической системы
  • Улучшение режима и повышение его надежности
  • Задача оптимизации режимов работы накопителя энергии
  • Методы решения задач оптимизации
  • Технико-экономические показатели функционирования
  • Заключение

Тепловые накопители энергии устройства, в которых путем повышения температуры или изменения фазового состояния рабочего тела.
Аккумулирование тепловой энергии при основные области применения в ЭЭС:
аккумулирование теплоты у потребителя для кондиционирования воздуха и нагрева воды,
аккумулирование теплоты на ЭС для подогрева питательной воды;
аккумулирование теплоты на ЭС в виде пара, расплавленных солей и т. п.
Ведется большая работа в области развития теплового аккумулирования энергии для горячего водоснабжения и отопления на стороне потребителя, хотя предлагается применять и аккумулирование теплоты в системах централизованного водоснабжения. Для некоторых систем, имеющих выраженные пики нагрузки, использование внепиковой энергии в водонагревателях и устройствах отопления может улучшить коэффициент заполнения графиков, создав значительную нагрузку и часы провала. Горячую воду из накопителя можно использовать в качестве питательной воды котла, отключив нагреватели. При этом увеличивается отдаваемая электрическая мощность установки.
В области централизованного аккумулирования теплоты в сетях теплоснабжения давно используются и оправдали себя аккумуляторы кратковременного действия для выравнивания суточных и праздничных пиковых нагрузок. При предполагаемой продолжительности выдачи энергии в течение 10 ч устройство, основанное на аккумулировании пара, будет иметь следующие характеристики:
Вероятная мощность— 500 МВт
Ориентировочные капиталовложения— 120 долл/кВт
Ожидаемый срок службы— 30 лет
КПД -37%
Удельная энергоемкость устройства приведена в табл. 2.2.

В Литовской ССР в сельском хозяйстве и в быту используются аккумуляционные водоподогреватели, суммарная мощность их равна 30 МВт. К 1985 г. мощность таких устройств в целом по стране достигла 300— 600 МВт, а впоследствии приблизится к 1000 МВт.
Первые паровые аккумулирующие системы начали эксплуатироваться в 1873 г. В 1913 г. доктор Руте получил в Германии патент на принцип конструкции аккумулирующей установки переменного давления с генерированием электроэнергии. Первая действующая установка была построена в городе Мальме (Швеция). Самая большая станция этого типа находится в Шарлоттенбурге, близ Берлина. Она вырабатывает электроэнергию и имеет аккумулирующее устройство на 67 МВт-ч. Станция была построена в 1929 г. и успешно работает до сих пор.

Рис. 2.4. Схема работы теплоаккумулирующей установки в режиме работы без накопления: 1 — паровой котел; 2 — турбогенератор; 3 — конденсатор; 4 — подогреватели питательной воды

Рис. 2.5. Схема работы теплоаккумулирующей установки режиме накопления (накопление производится в период прохождения провала нагрузки):
1 — накопитель горячей воды; 2 — паровой котел; 3 — турбогенератор; 4 — конденсатор; 5 — подогреватель питательной воды; 6 — накопитель холодной воды

Теплоаккумулирующие установки могут работать в трех режимах: 1) без накопления (рис. 2.4); 2) накопления (рис. 2.5); 3) выдачи (рис. 2.6). При работе в первом режиме часть пара, направляемого в турбину, забирается и используется для подогрева питательной воды котла, благодаря чему повышается общий КПД рабочего цикла.
При работе во втором режиме забирается больше пара, чем в первом, причем выходная электрическая мощность установки уменьшается, а избыточный пар используется для подогрева воды в накопителе теплоты. При работе в третьем режиме горячая вода из накопителя при отключений ее нагревателей используется в качестве питательной воды котла. Таким путем можно повысить отдаваемую электрическую мощность установки выше обычного уровня.

Рис. 2.6. Схема работы теплоаккумулирующей установки в режиме выдачи (во время прохождения пика нагрузки). Цифровые обозначения те же, что и на рис. 2.5

Теплоаккумулирующие установки отличаются от других накопительных систем одной особенностью: аккумулирующее устройство не является самостоятельной станцией, работающей в составе ЭЭС, а непосредственно связано с определенной паросиловой установкой. Данную особенность необходимо принимать во внимание во всех экономических расчетах, так как она влечет за собой некоторую потерю готовности и паросиловой установки, и аккумулирующего устройства. Если по какой-то причине выходит из строя паросиловая установка, то не работает и аккумулирующее устройство, и наоборот. Такое положение приводит к трудностям при планировании, поскольку на стадии проектирования нужно решить, какая именно паросиловая установка будет работать большую часть расчетного срока службы, чтобы можно было объединить с ней аккумулирующее устройство.
Тепловые накопители можно устанавливать непосредственно на ТЭС и АЭС, используя их теплотехническое оборудование. Они имеют высокую удельную энергоемкость (см. табл. 2.2).
Таблица 2.2

Читайте также  Тепловые системы без обогрева электрические

Теплонакопители

Тепловые накопители, которые также называют буферными емкостями, с каждым годом становятся популярнее, появляясь в домах российских потребителей. Это важный элемент отопительных систем, который позволяет рациональнее использовать тепло. Некоторые европейские страны даже ввели запрет на использование твердотопливных котлов без дополнения в виде тепловых аккумуляторов.

Группа компаний «Технотерм» предлагает большой выбор теплонакопителей от ведущих мировых производителей, таких как Drazice, HAJDU, S-Tank и Sunsystem. На соответствующей странице каталога Вы сможете выбрать нужный прибор и тут же его заказать. Если Вам понадобится консультация, позвоните нам по номерам, указанным на сайте, и наши лучшие специалисты подробно расскажут Вам о теплонакопителях.

В чем суть тепловых накопителей?

Принципы работы этого оборудования достаточно просты. Основная его задача — постепенно накапливать тепло, если отопительные приборы производят его с избытком. Когда же котел, наоборот, не выдает достаточного количества тепла, накопитель будет восполнять недостаток. Это значит, что лучше всего использовать тепловые накопители с оборудованием, работа которого имеет периодический характер.

Виды буферных емкостей

Есть базовое разделение тепловых накопителей, которое описывает 4 основных типа:

  1. Простые варианты тепловых аккумуляторов, приспособленные для подключения одного источника тепла.
  2. Емкости, способные подключаться сразу к нескольким тепловым источникам. Например, ее можно использовать для соединения твердотопливного котла и систем, использующих солнечную энергию. От первого варианта такие системы отличаются наличием нижнего змеевика.
  3. Аккумуляторы тепла, которые обладают змеевиком горячего водоснабжения — они используют тепло не только для обогрева пространства, но и ГВС.
  4. Теплонакопители с дополнительным внутренним баком, применяющимся для ГВС. Такая конструкция получила название «бак в баке». Она может аккумулировать тепло для отопления, а также накапливать горячую воду для использования в быту.

Существуют также варианты тепловых накопителей, оборудованных собственными нагревательными элементами. Они не требуют подключения к другим источникам отопления в обязательном порядке, так как сами способны нагревать воду.

В каких случаях теплонакопитель будет эффективнее всего?

Есть несколько категорий оборудования, в сочетании с которым тепловые накопители принесут наибольшую пользу:

  • Твердотопливные котлы. Такие системы очень популярны в России из-за дешевизны топлива и недорогой цены. Однако такой котел может греть воду ограниченное время, пока в нем находится топливо. При этом он производит больше тепла, чем нужно. Теплоаккумулятор сможет забирать это тепло и отдавать его в промежутках между закладками.
  • Солнечные коллекторы. Они по очевидным причинам могут работать только в светлое время, поэтому в ночной период наличие теплового аккумулятора окажется очень даже кстати.
  • Электрические котлы отопления. Здесь дело в так называемых ночных тарифах на электроэнергию, которые бывают существенно меньше расценок в дневное время. Учитывая большую потребность электрокотла в электрической энергии, будет целесообразно включать его только ночью. Днем же источником тепла может стать теплонакопитель. Такой подход позволяет в значительной мере экономить на электричестве.

Еще один вариант использования теплонакопителя — создание промежуточного звена, объединяющего несколько тепловых источников. Например, можно одновременно использовать в доме солнечные коллекторы и твердотопливный котел. В дневное время можно пользоваться энергией солнца, а ночью загружать котел. В этом случае буферная емкость будет выполнять функцию переходного элемента, обеспечивающего плавное переключение между несколькими системами.

Теплонакопитель в сочетании с твердотопливными котлами

Чаще всего можно встретить теплоаккумуляторы в сочетании именно с твердотопливным котельным оборудованием. Это связано с особенностями работы таких котлов — они достигают наибольшей эффективности в условиях работы на полную мощность, то есть, при полном сгорании топлива. Если же ограничивать горение, начинает выделяться большее количество токсичных газов и твердых частиц, засоряющих внутренние поверхности котла. Это может привести к снижению эффективности эксплуатации котла и даже его поломке.

Если на улице достаточно холодно, работа твердотопливного котла на полную мощность приветствуется, так как помещение требует большого количества тепла. Однако как быть в переходные сезоны, когда мощность котла становится излишней, перегревая дом? При отсутствии накопительной емкости, придется выпускать излишки тепловой энергии на улицу, что неэффективно и дорого. Зато при наличии теплонакопителя можно будет аккумулировать тепло, не давая ему пропадать зря.

Принцип работы теплонакопителя

Когда твердотопливный котел сжигает топливо, он нагревает не только теплоноситель, который циркулирует по дому, но и тот, который находится в буферной емкости. После полного прогорания топлива жидкость в системе отопления начинает охлаждаться. При достижении заранее определенной отметки в тепловом накопителе сработает датчик, запускающий циркуляционный насос. Он начнет перекачку теплоносителя из бака в систему отопления, повышая в ней температуру.

Как только температура в отопительной системе восстановится, датчик отключит насос. При этом часть тепла внутри накопительной емкости будет потрачена. Сам по себе теплоноситель в буферной емкости теряет тепло очень медленно — теплоизоляционный слой не допускает утечек тепла. Цикл запуска и отключения насоса будет продолжаться, пока температура теплоносителя в баке не сравняется с температурой в системе отопления. Все это время в доме будет поддерживаться стабильная температура.

Какие преимущества дает использование теплонакопителя?

Польза, которую приносит эксплуатация тепловых накопителей в отопительных системах, оценивается разными экспертами неодинаково. Она зависит от множества факторов, которые будут описаны ниже. Средний показатель экономии находится на уровне 20%. Это означает, что из каждых 5 потраченных рублей один будет возвращаться. Наибольшую выгоду от использования теплоаккумулятора можно получить в переходные сезоны, которым свойственны частые скачки температуры.

Кроме экономии финансовых средств, буферные емкости позволяют комфортнее чувствовать себя в доме. При использовании твердотопливного котла уменьшается необходимость частых загрузок — теплонакопитель будет продлевать термин, на протяжении которого в помещении сохраняется тепло. Если дом хорошо утеплен, а буферная емкость была подобрана правильно, топить котел можно намного реже. Это становится полезным в холодное время, когда исчезнет необходимость вставать посреди ночи, чтобы положить в топку новые дрова.

Использование тепловых накопителей повышает инерционность системы. Это значит, что снизится резкость тепловых перепадов, отопление станет более устойчивым. Кроме того, использование твердотопливного котла станет проще, а его эксплуатационный срок повысится. Еще одна возможность, которую дарят тепловые накопители — обеспечение горячей водой. Однако эта функция присутствует далеко не во всех подобных устройствах.

Как подобрать буферную емкость

Первое, что нужно сделать — понять необходимый объем накопительной емкости. Этот аспект важен хотя бы из-за того, что объем напрямую влияет на габариты оборудования. Понадобится не только подобрать в доме нужное место, куда поместится накопитель, но также внести туда емкость, миновав несколько дверных проемов. Лучше всего устанавливать теплонакопитель в непосредственной близости от котла — это позволить избежать теплопотерь при перемещении носителя тепла. Чтобы быть уверенным в своем выборе, стоит обратиться к специалистам, которые точно рассчитают необходимую вместительность теплонакопителя, учтя при этом массу специфических деталей.

Еще один фактор, от которого будет зависеть необходимый объем — мощность твердотопливной отопительной системы. Существует несколько методов, которые позволяют рассчитать емкость, основываясь на времени, за которое котел способен нагреть жидкость до определенной температуры. Котел полностью загружают топливом и засекают время, за которое полный объем жидкости в системе отопления прогреется до 40°C.

Есть и более простой вариант — на каждый киловатт мощности должно приходиться от 25 до 50 литров жидкости в теплонакопителе. Для примера возьмем твердотопливный котел с мощностью 15 кВт. Минимальная граница объема буферной емкости будет 375 литров. Максимальный же объем составит 750 литров. Оптимальным вариантом будет выбор среднего объема, немного сдвинутого в сторону нижней границы. В данном случае стоит подобрать емкость, которая вместит 400-500 литров.

При выборе большого объема следует обратить внимание на то, что накопители, вмещающие более 500 литров, могут не пройти в стандартный дверной проем.

Купить теплонакопители (буферные емкости) в Санкт-Петербурге

Группа компаний «Технотерм» предлагает большой выбор тепловых накопителей по доступным ценам. На все оборудование действует гарантия от производителя. В течение гарантийного срока ремонт оборудования ничего не будет стоить (при условии соблюдения правил эксплуатации). Вы можете самостоятельно выбрать оборудование и заказать его с помощью корзины, либо же воспользоваться бесплатной консультацией. Для этого позвоните нам по номеру +7 (812) 324-54-25 — наши лучшие специалисты с радостью проконсультируют Вас.