ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

Основные направления совершенствования теплоакктмупируюших систем для СЭУ и перспективы • их применения

СЭУ обладают большими термодинамическими возможнос­тями особенно при наличии в ее составе ТАС, когда СЭУ под­

ключается к потребителю через АТ. Если КПД ТАС на СЭУ Eutelios и СЭС в Барстоу не превышает 70%, то КПД ТАС на СЭС CRS на жидком натрии превышает 90% [104]. Вы­сокий КПД ТАС обеспечивается за счет использования в ка­честве теплоносителя, проходящего через теплоприемник, таких веществ, как натрий или расплав соли, которые одновременно служат как ТАМ. Высокий КПД ТАС достигается, если в ка­честве ТАМ применять огнеупорный кирпич, керамику, а в ка­честве теплоносителя — воздух, газ»

Успешно разрабатываются теплоемкость АТ на базе солей азота, в частности на смеси солей NaN03-*KN03< Ее достоин­ства: недорога, обладает высокой плотностью запасаемой энер­гии и работает при достаточно высоких температурах. Компания Martin Marietta разрабатывает ТАС на основе расплава нит­ратов, причем горячая ешь (566 С) будет храниться в обли­цованном огнеупорном материалом баке с внутренней тепло­изоляцией (рис. 17), а холодная соль (288 С) - в баке из углеродистой стали, которая также защищена внутренней тепло­изоляцией. Внутренняя облицовка выполнена из непроницаемых для жидкости вафельных мембран, аналогичных используемым для хранения сжиженного природного газа. Проведенные испы­тания данной ТАС в Альбукерке, в том числе на усталостную прочность облицовки, успешно завершились в 1982 г. [104], Компании Boeing и Sanders Assoc. (США) завершили раз­работку АТ с использованием пористой керамической матрицы в качестве ТАМ, через которую для отвода и подвода тепла прокачивается воздух. Керамический материал (оксид алюминия или магния) хранится в баке под давлением и нагревается до 816°С от газоохлаждаемого ЦП. Для параболоидных концент­раторов разрабатываются АТ, действующие по принципу накоп­ления скрытой теплоты с последующим ее использованием в двигателях с циклами Ревкина, Брайтона л Стирлинга, кото­рые монтируются совместно с АТ на концентраторах и выпол­няются в рнце интегральной конструкции приемник - аккуму­лятор с объембм накопленной энергии, достаточным для рабо­ты только в короткий промежуток времени. Завершена разра­ботка эскизных проектов экспериментальной конструкции и не­которых элементов таких аккумуляторов для работы в СЭУ с параболоидными концентраторами по вышеперечисленным цик­лам, В Jet Propulsion Lab. (США) ведутся работы по изуче­нию текяоперецаюших и коррозионных свойств сшей для рас­смотренных АТ [104].'

Рис. 18

Рис. 17. Экспериментальный бак для хранения горячего рао - плава сопи: 1 - облицовка; 2 - внутренний теплоизоляция; 3— охлаждаемое водой основание

Рис. 18. Конструкция приемника-аккумулятора для параболи­ческого круглого концентратора й двигателя Ренкина на орга­ническом топливе: 1 - сегментные контейнеры с различными МОФ; 2 - стальные трубки для прохода толуола; 3 - жидкий толуол; 4 - перегретый пар толуола; 5 - изоляция приемника;

6 - медная полость •

Для экспериментов с небольшой СЭУ (электрической мої»- ’ ностью 0,1 МВт) была предложена конструкция АТ с МОФ (рис. 18), расположенным внутри стенок теплоприемника. Эта установка будет состоять из поля параболоидных крупных концен­траторов с расположенными на них двигателями Ренкина, рабо­тающими на органическом топливе.

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 сосредоточен* 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 бт 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 ТАМ-теплоносителя. К настоящему времени выявле­но, что наиболее приемлемыми являются расплавы солей (нит­ратов) хак для хранения тепла, так и для его отвода и пере­дачи, Жидкий натрий менее эффективен для аккумулирования тепла из-за низкой его теплоемкости къ 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 ГАС, 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 защиты 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 свею очередь поступает в нижнюю часть колонки и передает

Тепло жидкому теплоносителю, поднимаясь при этом вверх про­щ

х2~2 01

Рис, 19. Высокотемпературный теппооомедтик 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. 20. Схема перспективной высокотемпературной СЭС:

1 поле гелиостатов; 2 - дриемник излучения; 3 - тугоплав­кие шарики (расход 5,2 * 103 кг/ч); 4 - расплав окислов;

5 - аккумулирующая емкость (производительность 8640 МВт*,ч, емкость 2,5 • 107 кг, объем 10 400 м3); 6 — аргон (дав - пение 2 МПа, расход 1,51 • 10® кг/ч); 7 - теплообменник высокого давления; 8 - в! ыход шариков из теплообменника;

9 - генератор; 10 - турбина; 11 - компрессор; 12 - низко­температурный теплообменник.

тивотоком. Твердые капли сопи, достигая верхней части тепло* обменной колонки, пересыпаются через край и падают в бак, Окружающий колонку. При зарядке твердый ТАМ расплавлявтс^

И поступает назад в контейнер для складирования жидкой сояй И хранится до цикла разрядки. Эффективность этой системы требует проверки и для этого необходимо проведение даль­нейших исследований [104],

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. Орним Из вариантов может быть комбинированная ТАС, состоящая из АТ и теплопровода. Тугоплавкие шарики из слож­ных оксидов (40% S1O2 , 20%Mg0, 35% СаО и 5%A|20j)

подают в солнечный теплоприемник, где они плавятся и затем перекачиваются в емкость АТ (рис. 19 и 20). 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 выскотемпературной ТАС - ис­пользование принципа накопления энергии с помощью тепло­емкости и терлоты 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 техношо* гии 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 направ.- пение Требует дальнейших исследований о цепью 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 тепло-

Рис. 21. Теїшоаккумупируюший модуль На основе скрытой теплоты фазового превращения: 1 - кол­

лектор входа и выхода; 2 - фазоизменяющий мате­риал (смесь солей NaQH-NaNOj); 3 - пакет труб

носителя является одним из перспективных направлений в ре­шении данной проблемы.

Однако это не исключает изучение фугих типов АТ на оо - нове 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. 21 представлен мо­дуль АТ с МОФ [104]. 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. Последний поддерживаются каналами из углеродистой стали и разделены каналами из алюминия, которые служат для повышения тепло­проводности. В качестве ТАМ используется солевая омесь, состоящая из 18,5% NaNQ^ и 81,5% NaOH, с температурой плавления 256°С. Аккумулирующий модуль заряжается от па-, ра, который конденсируется при температуре 288 С. При раз­рядке модуль АТ генерирует сухой пар с температурой 232 G

Теплопроизводитепьность АТ составляет 19 МВт * ч. Для соэ-г дания такой ТАС. требуется проработать ее отаельные элемен­ты и узлы 0.04].

Перспективной областью применения ТАС пре оставляется использование солнечной энергии аля производства тепла и хо­лопа. В отчете по заказу министерства энергетики США при­ведена информация о 300 действующих' в США и Канаде теппо - и хоподоаккумулирующих установках* К наиболее распростра­ненны^ 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 [28].

В [50] предложен аккумулятор солнечной энергии, выпол­ненный в виде устройства, в котором твердые аккумулирующие частицы омываются нагреваемым теплоносителем (газом) сн»- зу 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.

В заявке [94] 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 юторому К НИМ ПОДВОДИТСЯ нагретый теплоноситель, в К£Н честве 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 теппонасосной установкой. Этот теплообменник размешается в верхней чао. ти сосуда. Температура воды от нижней к верхней зоны из­меняется от 40 до 80 С.

« По [130] 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 патруб-

ков снижается в такой степени, что она не вызывает интенсив* ного 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. В работе [78] 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. В [35] 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 энергии, 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. В [92] патентуется способ и устройство для аккумулирования тепла с помошыо гидратов сопи. Первичный теплоноситель при температуре 163-204°С пропускают через рекуперативный теплообменник в бункере, который Заполнен гидратом сопи ( CaS04*0,5H 2О).

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 CaSO^. Такой термохимический АТ может использоваться на СЭУ. Параллели но 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 спо собность всей системы, а также КПД.

В [87 ] разработан Способ для аккумулирования тепла, преимущественно на солнечных и геотермальных установках, и устройство для его осуществлении. Этот способ основан на тепловом эффекте химической реакции гидратация - дегидрата­

ция гиаратных солей многовалентных металлов (алюминия, бериллия, магния, железа, кальция и цинка) на основе кислот типа соляной и серной. Тепловой эффект составляет от 488 f 4-2510 кДж/кг или 1,384-7,23 ГДж/м^. 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 не конденсируемых газов и др.). Однако рассмот­ренные решения [35, 78]свидетельствуют о перспективности таких АТ для их использования не только в солнечной энерге­тике.