Основные эксперименты с аккумулирующими системами и подсистемами

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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