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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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