Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Энергосбережение в строительстве

Технология хранения энергии


Технология хранения энергии

На практике возможность использования солнечной энергии, бросового и естественного тепла в какой-либо степени для отопления зданий в северных широтах полностью зависит от способности накопить тепло для использования его зимой.

В течение короткого промежутка времени тепло умели резервировать давно. Высвобождение и использование тепла после процесса его производства было одним из важнейших преимуществ изразцовых печей, спроектированных Кронште-дом. Подобные системы накопления тепла для ежедневного использования стали применяться в дровяных печах, в которые вмонтировали водяной бак — накопитель тепла для его использования ночью, когда сжигание дров прекращалось. Однако это было использование накопителей в небольшом масштабе.

В начале 70-х годов водяные баки, размещаемые на поверхности земли и без повышенного давления, начали использовать для сохранения тепла в системах районного теплоснабжения. Так, в 1974 г. теплоизолированный стальной бак емкостью 25 тыс.м3 был установлен в районной системе теплоснабжения г. Вястерле. Подобные баки теперь применяются повсюду в системах районного теплоснабжения страны.

Накапливая большое количество тепла таким способом для кратковременного сглаживания суточного графика, можно оптимально управлять оборудованием теплоснабжения (и особенно турбогенераторами обратного давления) при изменяющихся нагрузках теплопотребления в течение суток.

Другая техника сохранения тепла, требующая значительно большего объема накопителя, должна использоваться для хранения в больших масштабах естественного или солнечного тепла, когда тепловая зарядка накопителя происходит один раз в год. Несколько различных типов полномерных накопителей разработаны для сохранения естественного тепла. Они известны как сезонные хранилища тепла, в отличие от краткосрочных хранилищ тепла, которые имеют дневной или недельный цикл заряда-разряда. Тепло от солнечных коллекторов или тепловых насосов направляется обычно через теплообменники и хранилища тепла, которые могут размещаться либо в грунте, либо глубоко под землей или состоят из водяных накопителей в полостях скалы или в хорошо теплоизолированных сверху выемках.

Так как грунт и скала имеют относительно низкий коэффициент теплопроводности, тепло можно хранить в определенном, ограниченном объеме ниже поверхности земли. Однако относительные тепловые потери значительно зависят от размера хранилища. При одной и той же температуре хранилище тепла в форме куба с ребром 3 м может терять до 50% своего тепла в несколько дней, в то время как хранилище в форме куба с ребром 100 м будет еще содержать более 90% своего первоначального теплосодержания по истечению шести месяцев. Это означает, что грунтовые хранилища тепла должны быть большого размера и, следовательно, предназначаться в первую очередь для полномасштабного накопления тепла для групповых теплостанций или районных систем теплоснабжения.

Теплопотери зависят, однако, не только от размера и формы хранилища, но и от уровня температур, теплоизоляционных характеристик грунтами расположения хранилища. Водяные хранилища имеют лучшие теплотехнические характеристики, чем грунтовые, и более подходят для высоких уровней температуры.

Сезонные хранилища тепла классифицируют по рабочему температурному уровню накопленного тепла. Решающим фактором при определении полной стоимости является разность температур между рабочей температурой хранилища и температурой теплоносителя, которую требует потребитель. Высокотемпературные хранилища могут обеспечивать тепло без дополнительного устройства нагрева или тепловых насосов, в то время как низкотемпературные хранилища (т.е. хранилища с рабочей температурой ниже 60°С) нуждаются в тепловых насосах, чтобы повысить температуру до уровня, требуемого потребителем.

Грунтовые хранилища тепла. Тепло может быть накоплено непосредственно в грунте с помощью вертикальных скважин, глубина заложения и количество которых определяются в зависимости от размеров хранилища. Глубоко залегающие пласты глины и скальная порода обычно подходят для этого типа хранилища.

Хранилища в глине. Глина имеет высокую теплоемкость приблизительно 1 кВт ч/(м3-К)] и меньший коэффициент теплопроводности, чем скальные породы. Использование глины как накопителя тепла, однако, связано с риском снизить сопротивление грунта сдвигу и его осадку, и поэтому Группа по тепловым насосам, использующим тепло земли, при Высшем техническом заведении им. Чалмерса, считает, что рабочая температуры накопителей в слоях глины должна в нормальных условиях ограничиваться максимальной температурой 25-40°С. Это означает, что хранилища в слоях глины в виде скважин являются низкотемпературными и им для дальнейшего увеличения температуры до пригодного к использованию уровня необходимы тепловые насосы. Однако рабочая температура в хранилище обычно не превышает 10--20 К, поэтому накопитель может нормально заряжаться теплом от дешевых низкотемпературных солнечных коллекторов, которые частично компенсируют стоимость тепловых насосов.

Хранилища этого вида состоят из U-образных труб или шлангов, помещенных в глине. Они образуют замкнутую систему, переносящую жидкость вниз в грунт (и обратно) на глубину нескольких десятков метров. Летом теплая жидкость, нагретая солнечными коллекторами, циркулирует в системе и поставляет тепло массиву из глины. Зимой холодная жидкость, выходящая из теплового насоса, нагревается, проходя через более теплый массив из глины, и передавая, таким образом, тепло от массива глины тепловому насосу. Этот метод был успешно испытан в натуре в Гётеборге и в других экспериментальных проектах в Кунгсбакка.

Капитальные вложения на сооружение хранилища тепла в слоях глины относительно невелики при хорошем выборе подходящих грунтов. По мнению Группы по тепловым насосам, использующим тепло ""Земли при Высшем техническом заведении им. Чалмерса, по крайней мере, 300 тыс. жилых единиц в стране могут быть подключены к таким хранилищам тепла.

Хранилища тепла в виде скважин в скале. Объем и форма скважин хранилищ тепла в скале, определяемые расположением и глубиной скважин, важны при минимизации тепло-потерь из накопителя: теплопотери уменьшаются с увеличением объема. Хранилище тепла в скале состоит из скальной породы, в которой расположено несколько сотен или более вертикальных скважин, пробуренных на глубину 60-150 м. Вода циркулирует в скважинах и между ними, накапливая либо извлекая тепло из хранилища. Используются также замкнутые циркуляционные системы с трубами или шлангами.

Теплоемкость накопителей тепла в гнейсе (граните) около 0,6 кВтч/(м3К), т.е. ниже, чем в глине. Общая годовая потребность в тепле, необходимая для обеспечения 500--1000 индивидуальных домов, может быть накоплена в хранилище тепла из скважин в скале объемом около 0,5-1 млн м3. С 1982 г. в г. Лулео проводится широкомасштабный эксперимент с хранилищем тепла в виде скважин в скале объемом 100 тыс. м3. Хранилище состоит из 120 скважин глубиной 65 м и диаметром 150 мм. Оно заряжается избыточным промышленным теплом при температуре 70-80 °С от районной системы отопления в г. Лулео и обеспечивает теплом Университет в г. Лулео.

Заполненные водой скальные полости. Этот тип хранилища тепла использует технологию, которая была первоначально развита для хранения нефти. Сейчас в Скандинавии имеется около 200 хранилищ нефти в скальных полостях, каждая объемом до 2--3 млн м3, и шведские инженеры обладают высококвалифицированным опытом возведения подземных конструкций.

Горячая вода может быть накоплена и храниться в скальных полостях при температуре выше 100 °С. Можно использовать широкий диапазон температур хранения, который повышает рентабельность таких хранилищ. Температурный диапазон в 50К может часто применяться в системах без тепловых насосов, при котором получают полезную плотность энергии в хранилище около 50 кВт ч/м3 с учетом допустимых тепловых потерь. Неизолированные стены полостей способствуют увеличению фактической мощности хранилища и могут увеличивать теплоемкость накопителя на 10%. Заполненные водой полости скалы должны быть построены на определенной глубине для того, чтобы иметь достаточную кровлю над ними и быть существенно ниже уровня подземных вод, что сохраняет баланс внутреннего гидростатического давления.

Этот тип хранилища более удобен для использования в свободной от трещин скале с невысокими потоками подземных вод. Считается, что геологический потенциал хранилищ в скальных полостях весьма значителен во многих частях Швеции, за исключением юго-запада и других областей с осадочными коренными подстилающими породами. Этот тип хранилищ был испытан в экспериментальной установке объемом 15 тыс.м3 в г. Авеста и используется в полномерном проекте (100 тыс.м3) г. Люккебю. С использованием подобной технологии можно накапливать тепло в заполненных галькой полостях скалы, в рабочих выработках шахт, в свободных полостях нефтехранилищ и тому подобных пустотах в грунте.

Теплохранилища в искусственных выемках. Хранение тепла в воде при высокой температуре может также использоваться в искусственных выемках и водяных баках с теплоизоляционным покрытием. Теплохранилища в искусственных выемках более дороги, чем хранилища в пустотах скалы, и требуют хорошей теплоизоляции по всем сторонам (как сверху, так и снизу) для того, чтобы ограничить теплопотери до необходимого уровня. Опыт с хранилищами этого типа основан в первую очередь на прототипе установки в г. Стадс-вик [2] (выемка в грунте объемом 640 м3) и на групповой солнечной теплостанции в г. Ламбохов [3] (теплоизолированная выемка в частично разрушенной скале объемом 9800 м3). Накопители в искусственных выемках наиболее приемлемы для небольших и кратковременных хранилищ тепла, чем накопители в скальных пустотах.

Теплохранилища в водоносных слоях грунта. Естественные резервуары подземных вод, известные как водоносные слои, и различные типы ледниковых отложений и пласты песчаников могут также использоваться для сезонного хранения тепла, в первую очередь в виде теплой, нагретой летом воды озер. Тепло накапливается в водоносных слоях путем повышения температуры в подземных водах. Накопление и отбор тепла осуществляется через колодцы, проходящие в водоносных слоях. Однако объем хранилищ должен быть более 1 млн м3 для того, чтобы удерживать теплопотери на необходимом уровне. В слоях, близких к поверхности, таких, как поверхностные водоносные слои, максимальная температура хранилища может быть около 20-30 °С. С другой стороны, температуры хранилища 60-90 °С могут быть использованы в водоносных слоях из песчаника на более значительных глубинах.

Будущие исследования потенциальных теплохранилищ в водоносных слоях имеют обещающие результаты и значительный энергетический потенциал. Более чем 200 мест для больших теплохранилищ в водоносных слоях расположены вблизи населенных цензов. По-видимому, их потенциальная тепловая мощность составит более 12 ТВт ч/год, что эквивалентно около 9% потребления нефти страной, и может быть извлечена из водоносных слоев при средней стоимости 16 эйри/кВт-ч (1,6 коп/кВт.ч). Ведутся экспериментальные работы на юго-западе Швеции, планируется строительство большемасштабных установок, например на севере в окрестности г. Даларна.



Похожие статьи:
Опыт жилищных организаций

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Энергосбережение в строительстве

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум