ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

Подземные теплоаккумупяторы солнечной энергии

Аккумулирование солнечной энергии в ПТА разрабатывается на основе следующих способов: 1) глубокие скважины с закач­кой водьг, 2) глубинные скважины с барботированным слоем жидкости; 3) тегшообменная твердая засыпка в изолированной подземной полости; 4) система концентрических труб, проду­ваемых воздухом в теплоизолированной подземной полости [91]. Разработки ПТА солнечной энергии ведутся практически во всех развитых капиталистических странах. Заслуживают вни­мания достижения в этой области в Швеции. В рамках нацио­нальной программы по освоению энергетических ресурсов раз­работан проект теплоснабжения группы коттеджей с помощью солнечной энергии и теплонасосных установок, использующих трпло нагрётых. грунтовых вод. Система спроектирована йля условий района г. Ландскруна (Южная Швеция). Первоначально она намечалась для краткосрочного аккумулирования тепла, в последующем - для сезонного, Для этого планируется проведе­ние экспериментов с целью определения возможности создания сезонного ПТА [71]. В скальных породах на глубине 30 м (Швеция) сооружен сезонный ПТА солнечной энергии емкостью 100 тыс. м3. Его годовая энергоемкость 5500 МВт • ч, что эквивалентно 550 т мазута. ПТА имеет кольцевую форму, его высота 30 м, наружный и внутренний диаметры, соответствен! но, 7 5 и.35 м. С помощью солнечной энергии отапливается 550 жилищ. Общая поверхность коллекторов 4,2 тыс. м2. Строї ительные работы длились 7 мес., в том числе самого ПТ А - 4 мёс. Летом и осенью в ГГГА поступает нагретая вода до 90°С, а забирается из него с температурой 65-70°С. Средне­годовой КПД 30%, потери тепла неизолированного ПТА в кон­це первого года эксплуатации составят 70%, а через 4 года - 32%, через 10 лет - не превысят 28% (остывание за 25 ч составляет 10 С), Стоимость тепла от ПТА эквивалентна сто­имости тепла от теплосети [134]. В Швеции разрабатывается проект сезонного ПТА, включающий водоем и подземные гор­ные выработки объемом 700 тыс. м3 Нагретая летом вода будет закачиваться в ПТА. Теппоаккумулирующая энергоем­кость составит 11-170 ГВт • ч. В отопительный период воца из ПТА поступает в теплосеть; при падении температуры воды ниже б С она будет использована в качестве источника тепла для теплонасосных установок [77].

Большой интерес проявляется к подземному аккумулирова­нию в водонасосных горизонтах. Он настолько велик, что этим уже занимается большое число стран (Швейцария, Франция,

ФРГ, США, Япония, Швеция). В Швейцарии сооружен АТ с ис­пользованием водоносного горизонта на глубине 36 м. Схема предполагает возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросного тепла с температурой воды от 30 до 1001С, '

которая предназначается для отопления, горячего водоснабжение и кондиционирования воздуха в жилых домах. Во Франции про­ведены экспериментальные исследования по закачке воды с температурой до 180°С в водоносный горизонт на глубине 50 м, в результате которых намечены направления дальней­ших исследований и масштаб внедрения.

В штате Аляска (США) демонстрируется эксперименталь­ная установка, которая производит тепло при 90 С, в штате Миннесота - при 150иС. В штате Алабама были проведены два цикла аккумулирования и восстановления тепла. В первом цикле закачали 55 000 м3 воды с температурой 55 С на 48 сут, а затем откачали, коэффициент восстановления теп­ловой энергии составил 67%. Во втором цикле было закачано 58 000 м3, коэффициент восстановления тепла возрос до 74%. Эти и другие эксперименты подтверждают их эффектив­ность. Отмечается, что проблема закупорки пор и трещин не возникает, если используется дублетная схема скважин (наг­нетательная и водозаборная), а рассеяние тепла сохраняется на приемлемом уровне. В частности, к таким выводам пришли в Японии и США [19].

Исследования и разработки показывают, что подземное ак­кумулирование тепловой энергии можно организовать по-разно­му в зависимости от принципа и способов аккумулирования.

В первом случае в качестве аккумулирующей среды могут использоваться воцонасыщенные пласты, вода, твердая порода и поверхностное поглощение. Во втором - природные формации (водоносные горизонты, каверны, пустоты и т. п.) и искусст­венные системы (выработки, шурфы, котлованы, емкости, за­полненные твердыми частицами, зоны трещиноватости, образо­ванные в результате взрыва или гидроразрыва).

Для подземного аккумулирования тепловой энергии важным является отработка технологии хранения тепла, Уже первые зарубежные результаты показали, что без особых предосторож­ностей безопасность и надежность не будут обеспечены при температурах выше 200°С и нет уверенности, что дто легко разрешимо для температурного диапазона от 100 до 200°С. г Обнаружено, что тепловые потери являются неприемлемы­ми, когда горизонты состоят из породы с крупной грануломет­рией (диаметр >1 дм). Это характерно, например, для твер­дых известняков. Слои с каменными нагромождениями, каналы с большой проницаемостью, континентальные и дельтовые об­разования пригодны для подземного аккумулирования тепловой энергии. Существует ограничение по закачке воды, взятой из поверхностного источника или из другого водоносного слоя иэ-за несовместимости воды. Не решен вопрос об уровне тем­пературы хранения тепла. Данные свидетельствуют, что выгод­но поддерживать температуру как можно выше. Например, во Франции эксперименты показали, что повышение температуры хранения со 100 до 200°С позволяет в 2-2,5 раза больше переносить тепла в 1 м® воды, а гидравлический дебит выше почти в 2 раза при одной и той же энергии откачки воды. Однако использование повышенных температур противоречит идее геометрического дублета, так как с ростом температуры на одную горячую скважину требуется несколько холодных нагнетательных скважин.

Одним из практических параметров является КПД подзем­ного аккумулирования тепловой энергии, который представ­ляет собой отношение между количеством возвращаемого и запасаемого тепла. Его значение эёвисит от уровня падения температуры. Предположительно считается, что лучше хранить тепло при более высокой температуре, что допускает более

высокое падение температуры. Однако падение на 40—50°С за несколько месяцев делает непригодным возвратное тепло для получения электроэнергии. Эксперименты и расчеты дают осно­вание на достижение КПД на уровне 75-80%.

С точки зрения практической реализации сеть подземной во­ды и обогреваемая сеть должны быть обязательно разделены через теплообменник из-за химической несовместимости и неза­висимых давлений воды в каждой из них. В то/Же время нель­зя допускать вскипания воды в скважинах и в водоносном го­ризонте во избежание накипи, разрушения приставок и самого устройства, а особенно для устранения деградации теплового уровня, который практически не восстанавливается. Для этого должны предусматриваться соответствующие регулирующие уст­ройства по поддержанию давления во время хранения, запуска или в периоды эксплуатации с малым дебитом. '

Для проектирования и создания систем аккумулирования тепловой энергии должны быть получены достоверные данные о зависимости удельной проницаемости от температуры. Имеют­ся сведения о заметном ее падении с ростом температуры. Необходимо выяснить проблему аккумулирования тепловой энергии в пористой среде с учетом растворимости и выпадения осадков при изменении температуры воды. Вода в пласте на­ходится почти всегда в химическом равновесии с основой пласта, а изменение температуры вызывает изменение хими­ческих равновесий в процессе аккумулирования и рекуперации тепла. Очевидно, что нельзя создать эффективные ПТА, не располагая образцами воды и грунта. Даже в тех случаях, ког­да вода и не содержит много минералов, существуют явления растворимости и выпадения осадков, и они могут быть ис­точником аварии. Поэтому должны быть приняты меры, исклю­чающие крупные выпадения осадков вблизи скважины, а так­же обеспечены условия работоспособности теплообменников и насосов.

Должны быть изучены вопросы безопасности при создании подземных аккумуляторов тепловой энергии с учетом прогре­вания грунтовых вод (теплопроводность, конвекция, дерива­ция, динамические перемещения и перемещения из-за нерав­номерности прогревания поверхности и близлежащих участков, опасность резких перемещений грунта при землетрясениях, об­разование трещин с выходом на поверхность) и другие аспек­ты (глубина расположения аккумуляторов, местные аномалии по глубине И ПЛОТНОСТИ и т. п.).

1СЮ

Цель исследований и разработки по созданию подземных аккумуляторов тепловой энергии сводится к выявлению пара­метров, воздействующих на работу водоносных пластов и близ­лежащих участков, включая проницаемость, механизмы энерге­тических потерь, механические и гидравлические характеристи­ки, экологические аспекты и работоспоробность оборудования. При использовании горных выработок или полостей должны быть изучены вопросы воздействия Теплоносителя в зависимос­ти от параметров (давление, температура) на приконтурные зоны, выявлены условия возникновения разрушения слагающих массивов, потери устойчивости при термоциклировании. Долж­ны быть разработаны методы расчета при определению термо­кинетических параметров горных пород и разработанной гор­ной массы в условиях длительного воздействия давления и вы­соких градиентов температур. Одновременно следует изыскивать новые решения создания эффективных ПТА. Одним из таких решений является ПТА, выполненный в виде подземной полоо - ти, облицованной кирпичной кладкой, в которую помещается резервуар из резины или из пластмассы. Между ними и стен­ками полости образуется пространство, заполняемое пеноплао - том. Резервуар перед монтажом накачивается воздухом или газом. Снаружи предусматриваются дистандионирующие элемен­ты, предохраняющие его от соприкосновения со стенками и днищем полости. Во избежание его повреждения от заливоч­ной массы он постепенно заполняется жидкостью с плотностью, равной плотности заливочной массы, причем уровни жидкости и массы выдерживаются одинаковыми [107 1.

Задачей исследований по разработке подземного аккумули­рования тепловой энергии должно быть изучение вышеперечио - ленного комплекса проблемных и инженерных вопросов с целью развития данного направления для аккумулирования солнечной энергии, в том числе и в сочетании с другими источниками первичной энергии. .

Таким образом, начиная с середины 70-х годов за рубе­жом и в СССР развернулись исследования по отработке раз­личных технологий теплоаккумулирования и разработке емкоо - тей для хранения накопленной энергии. Наибольшие успехи достигнуты в освоении теплоемкостных АТ. Обобщения ранее накопленного опыта создания и эксплуатации теплоаккумули­рующих устройств на традиционных энергоустановках сущест­венно облегчили их создание для СЭУ. Учитывая специфику СЭУ, а также недостатки и несовершенство ранее созданных АТ теплоемкостного типа, была проведена серия лабораторных

экспериментов по изучению стабильности ТАМ, Успешно прош­ли проверку ТАС в условиях, близких к промышленным, что в конечном итоге опрецелило пути их совершенствования. Одно­временно выявились трудности в освоении технологии аккумули­рования тепла высокого потенциала в АТ теплоемкостного ти­па, а также в технологии на основе фазовых превращений и об­ратимых химических реакций.

Для АТ основное ограничение на пути серийного производ­ства является их относительно высокая стоимость. В этой свя­зи предстоит изыскивать решения, основанные на использова­нии недорогих ТАМ, позволяющих добиться снижения их стои­мости. Для водяных АТ основным ограничением является ра­бочее давление в емкости для хранения тепла. Поэтому зас­луживает внимания создание комбинированных тенлоемкостных систем с использованием органических ТАМ, широко доступных природных материалов (камень, гравий и. т.п.).

В области освоения технологии аккумулирования тепла про­веденные эксперименты и теоретические изыскания определили ряд проблемных вопросов, которые предстоит изучить с тем, чтобы было возможным создать недорогие АТ, но эффективные с точки зрения передачи тепла от теплоприемника к потреби­телю энергии через этап ее хранения в ТАМ, размешенном в емкости АТ. •

В области термохишческих АТ имеются существенные труд­ности, но их высокая энергоемкость позволяет продолжить экспериментальные работы особенно с использованием обрати­мых химических реакций (де)гидратации гидратных солей.

Для аккумулирования уепла высокого потенциала в интервале 250-Х000°С заслуживают внимания АТ в первую очередь на основе карбонатов кальция и магния, гидрооксида кальция и магния, сульфатов железа и серного ангидрида.

Перспективным направлением аккумулирования солнечной энергии считаются ПТА. В комбшации с традиционными источ­никами энергии они могут найти применение как для кратко­срочного, так и для сезонного хранения тепла. Опыт экспери­ментальных установок на основе ПТА в ряде зарубежных стран, особенно в Швеции, показал, что этот метод аккумули­рования тепла требует тщательного изучения;