ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

Экспериментальные разработки аккумуляторов тепла для СЭУ и основные результаты исследований

Разработка и внедрение АТ достаточно интенсивно начались с середины 70-х годов. В табл. 2 приведены характеристики основных экспериментальных установок по отработке техноло­гии аккумулирования тепла.

На начальном этапе, начиная с 1975 г., в лабораторных условиях изучались технологическая гибкость АТ, вопросы сов­местимости и загрязняемости различных ТАМ. Первый экспе­римент был осуществлен компанией Marlin Marietta сов - место с Технологическим институтом штата Джорджия (США?

• Установка представляла собой двухступенчатый теплоемкост­ный АТ тепловой мощностью 1,6 МВт. В первой ступени в качестве ТАМ использовалось масло, а во второй ступени пе­регрева эвтектическая смесь NaNO^- NaNC^ + KNO3. Про­цесс подвода тепла осуществлялся по следующей схеме. Хо­лодный теплоноситель из бака первой ступени нагревается в теплообменнике паром из приемника и поступает во второй бак. Отбор тепла осуществлялся при обратном процессе. Прин­цип работы масляной ступени аналогичен с принципом рабо­ты соляной ступени. В эксперименте поток пара от приемника для зарядки АТ и поток воды для разрядки имитировались с помощью подключения системы к пиниям центрального отопле­ния и водоснабжения в месте эксперимента (магистраль компа-| нии Georgia Power, Ньюнан, Джорджия) [104].

Во втором эксперименте [104], проведенном компаниями McDonnel Douglas и Rockwell, , использовался АТ про-

извоаительностью 4 МВт • ч с двумя ТАМ: масло и песчано­гравийная смесь. Для хранения горячего и холодного ТАМ в одном баке использовался эффект Thermcline. В баке песча­но-гравийная смесь увеличивает объемную плотность запасаемой тепловой энергии, что, с одной стороны, уменьшает объем в АТ дорогостоящей жидкости (масла), с другой - исключает перемешивание холодной и горячей сред в объеме АТ. Процесс аккумулирования производился нагревом холодного масла, за­бираемого из нижней части бака АТ, в теплообменнике-гор»- чим паром из теплоприемника. Горячее масло поступает в верхнюю часть бака. Разрядка АТ производилась в обратном направлении. Зарядка АТ горячим паром имитировалась тпнх>- редственным нагревом масла в нагревателе при сгорании хими­ческого топлива, а при разрядке использовался теплообменник - парогенератор на месте экспериментального стенда компании Rockwell в г. Санта-Сузана.

На основе этих экспериментов с учетом оценки стоимост­ных и технических характеристик серийных СЭС для экспери­ментальной СЭС в Барстоу был выбран одноступенчатый мао» ляно-гравийный АТ типа Thermocline [55]. На рис. 16 при­ведена схема АТ типа Thermocline производительностью 28 МВт • ч.

В 1982 г. в США введена СЭС в Барстоу мощностью 10 МВт с ТАС на основе масляно-гравийной среды энергоем­костью 5,2 - ДО5 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/м^, 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. Эыли проведены исследования по измерению режимных пара­метров контуров накопления и потребления с целью 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 [55]. Там же [55] приводят­ся сведения об испытаниях в Альбукерке АФП энергоемкостью 2,52. • 10 і МДж. Успешное функционирование ТАС на СЭС н Барстоу послужило дальнейшему исследованию АТ, пркменяе-

СЭС СЕ SA -1 электрический мощ­ностью 1 МВт (Альмерия) То же

То же

СЭС Eurelios электрической мощ-Двухступенчатый, бак - Вода под давлен» ностью 1 МВт (Адрано, о. Си - паровой аккумулятор и ем, расплав соли цилия, Италия) горячий и холодный Hitec

баки

СЭС Sunshine электрической Бак - паровой акку - Вода под давлением 249 мощностью 1 МВт (Нио, преф. Ка- мулятор гава, Япония

Двухступенчатый, бак - Вода под давлением, Вода - 232 паровой аккумулятор и фазоизменяющая сольсоль - 361 трубчатые капсулы

Рис. 16. Схема одноступенча­того масляно-гравийного ак­кумулятора типа Thermocline для экспериментальной станциИ в Барстоу: 1 - незаполненный объем; 2 - разветвленный тру. бопровод; 3 - изоляция; 4 - гравий + песок + масло; 5 - вспомогательный разве твлен - ный трубопровод; 6 - охлаж­дающий трубопровод

мых 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 [13 3].

В работе [44] 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 тепловоі| 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 на­гое тая вода в солнечном теппоприемнике перекачивается в ак­кумулирующий бак под давлением. Для выработки электроэнер­гии вода из бака АТ подается на расширитель и превращается! в пар пониженных параметров, затем он покается на паровую турбину ■ [104].

В Японии одновременно проводилися» исследования по созда­нию комбинированного паросопевого АТ для СЭС модульного типа мощностью 1 МВт [1381. Было проведено эксперимен­тальное изучение характеристик АТ с ТАМ типа солевой сме­си К F - Lі F с температурой плавления 492 °С и теплотой фа­

зового 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 [138].

На втором модуле СЭС проекта Sunshine вместо ЦП по­пользуются плоские зеркала и вторичные параболические кон­центраторы. Генерируемый пар поступает в двухступенчатый АТ. В первой ступени складируется вода под давлением, во второй нагревается фазоизменяющая соль ( КО-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 [104].

В работе [42] рассмотрена модель ТА, предназначаемого для эксплуатации в диапазоне температур 516-584 К. Он представляет собой резервуар, заполненный теппоаккумулирую - щей средой массой ~1500 кг, представляющей собой двухком - поненгную неэвтекгическую смесь калиевых соединений. Под­вод и отвод тепла осуществляются за счет прокачки теплоно­сителя (масло типа НТ-43) через трубный пучок, размеше»- Иый 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 цикличео - ких режимах с имитацией теплопроизвоцительности гелиосисте­мы по времени суток. На разработанной математической моде­ли получены были результаты, которые были сопоставлены с экспериментальными данными. Разработкой математической мо-

дели преследовалась цель отработки достоверного инструмента, позволяющего производить расчеты характеристик АТ подобногс 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 стуйени АТ^

в качестве ТАМ используется вода под давлением, а в ступе-і ни перегрева - расплав солей Hitec. Принцип работы ТАС • состоит в следующем. Вода из основной ступени АТ преобра - ; зуется 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 [104].

В ведении университета штата Аризона (США) находится ТАС, которая работает в интервале температур от 2 00 до 288°С и обеспечивает выдачу электрической мощности 150 кВв 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 теплопроизвоцительность 0,86 МВт • ч. Каждый из трех одинаковых баков может по­пользоваться в качестве горячего или холодного. На этд%

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 Ther - mocline. 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. Теплопроизводитель - ностъ 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 конструктор ский справочник [104].

Однокомпонентные системы типа Thermocline были уста­новлены на СЭУ (многоцелевой) в Шенандоа и СЭС в Альме­рии. На СЭУ в США первоначально планировалось применить

АТ, в котором при зарядке или разрядке масло просачивается через аккумулирующий слой, отдает ецу тепло и затем отбира­ет его. Достоинство такой нстемы 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 парабопоцилиндрические коллекторы, а на другом - охлаждаемый натрием LIT. На пер­вом модуле масляный АТ типа TJiermocline работает в диапа­зоне температур от 225 до 295 С, на другом теплоемкостный АТ на натрии работает от 275 до 530°С, причем холопный и горячий натрий находятся в разных баках. Объем обеих акку­мулирующих систем обеспечивает работу СЭС на номинальном режиме в течение 2 ч.

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

Представленные выше данные об основных характеристика* ТАС, полученных по итогам экспериментальных исследований, позволили разработать и создать аккумулирующие системы для ряда экспериментальных СЭС, многие из которых уже воиь* пи в строй и успешно эксплуатируются, в том числе благодаря падежной работе ТАС. Эти данные показывают, что на пер­вых СЭС получили наибольшее распространение теплоемкост- Вые 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 сознания эффективных ТАС.