Аккумулирование тепловой энергии для огорода. Эксплуатация тепловых сетей

Экология потребления.Наука и техника:Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Рассмотрим, каким образом можно накопить виды энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером - больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача - сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.

Существует 6 основных видов энергии: гравитационная, механическая, тепловая, химическая, электромагнитная и ядерная. К настоящему времени человечество научилось создавать искусственные аккумуляторы для энергии первых пяти видов (ну, если не считать, что имеющиеся запасы ядерного топлива имеют искусственное происхождение). Вот и рассмотрим, каким образом можно накопить и сохранить каждый из этих видов энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Накопители гравитационной энергии

В накопителях этого типа на этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).

Гравитационные твердотельные накопители энергии

Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES). Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.

Практически все механические накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.

К сожалению, удельная энергоёмкость таких устройств невелика и определяется классической формулой E = m · g · h. Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений.

Недостатком таких систем является также то, что путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных.

Гравитационные жидкостные накопители

В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма - жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.

Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

Накопители механической энергии

Механическая энергия проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).

Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива.

Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.

К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше.

Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.

Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа.

Гирорезонансные накопители энергии

Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».

Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.

Механические накопители с использованием сил упругости

Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

Пружинные механические накопители

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).

Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.

При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.

Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.

Газовые механические накопители

В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).

Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.

Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.

Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.

Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.

Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.

Участники канадского стартапа Hydrostor предложили другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.

Накопление тепловой энергии

В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.

Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.

Накопление энергии за счёт теплоёмкости

В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.

Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.

Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).

Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость, позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес.

Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).

В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.

Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно.

В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы.

Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.

Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. .

Накопление энергии при смене фазового состояния вещества

Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.

Плавление и кристаллизация

К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.

Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле.

Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.

В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)!

Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина.

Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!

Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.

Испарение и конденсация

Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°.

Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.

Фазовые переходы второго рода

Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.

Электрические накопители энергии

Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.

Ионисторы

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.

Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.

В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.

По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.

К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства.

При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

Разработки с целью создания новых типов электрических аккумуляторов и усовершенствования существующих устройств не прекращаются.

Химические накопители энергии

Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

Накопление энергии наработкой топлива

На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей - многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем. Несмотря на эти недостатки в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.

Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.

Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na2SO4 · 10H2O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.

С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).

Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.

Безтопливное химическое накопление энергии

В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).

При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.

По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.

Другие типы накопителей энергии

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений. опубликовано

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Заочный факультет

по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.

тема: Аккумулирование тепла

Проверил: В.В. Чертищев

Барнаул 2007

Введение

Глава 1. Физические основы для создания теплового аккумулятора

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода.

Введение

Сейчас во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе и с помощью применения альтернативных источников энергии. К ним можно отнести такие виды, как использование водных ресурсов малых рек, морских волн, гейзеров и даже отходов производства и бытового мусора.

Но возникает проблема сохранения полученной энергии. Например, тепловую энергию, полученную в солнечной водонагревательной установке, можно сохранить в тепловом аккумуляторе, и использовать в темное время суток.

Тепловые аккумуляторы известны человечеству с глубокой древности. Это и горячая зола, куда наши предки закапывали продукты для их тепловой обработки, и горячие камни, которые накаливали на огне. Утюг, который нагревают на огне, а затем гладят им,- тепловой аккумулятор. Накаленные камни, которые мы поливаем водой (квасом, пивом) в парилках,- тоже аккумулятор тепла. Термобигуди, которые кипятят в воде, а затем с их помощью делают прическу,- тоже тепловые аккумуляторы, причем достаточно совершенные, основанные на аккумулировании плавлением.

Итак, каждое тело, нагретое выше температуры окружающей среды, можно считать аккумулятором тепла. Это тело способно, охлаждаясь, производить работу, а, следовательно, обладает энергией.

Глава 1.Физические основы для создания теплового аккумулятора

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ.

Исходя из первого закона термодинамики для незамкнутой системы постоянного химического состава характеристики аккумуляторов тепла зависят от изменения массы, объема, давления, энтальпии и внутренней энергии материала, а также различных их комбинаций.

В зависимости от технической реализации используется прямее аккумулирование тепла, когда аккумулирующий материал является одновременно и теплоносителем, косвенное аккумулирование - при различных теплоаккумулирующих и теплопередающих средах, а также различные виды симбиоза названных случаев.

Изменение энтальпии теплоаккумулирующего материала (ТАМ) может происходить как с изменением его температуры, так и без такового - в процессе фазовых превращений (например, твердое - твердое, твердое - жидкое, жидкое - пар).

Тепловые аккумуляторы реализуют, как правило, несколько элементарных процессов.

На современном этапе развития науки и техники существует возможность реализации практически любого известного принципа аккумуляции тепла. Целесообразность использования каждого принципа определяется наличием положительного эффекта, в первую очередь, экономического, достижение которого возможно при минимальной стоимости аккумулятора. Она определяется при прочих равных условиях массой и объемом теплоаккумулирующего материала, необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

В реальном процессе аккумулирования тепла плотность запасаемой энергии оказывается существенно ниже теоретического значения вследствие потерь тепла, выравнивания поля температур, потерь при заряде и разряде. Отношение реального и теоретического значений плотности запасаемой энергии и определяет эффективность теплового аккумулятора.

Одним из важнейших показателей, определяющих возможность и целесообразность аккумулирования тепла, является способность выделять энергию в количествах, необходимых потребителю. При прямом аккумулировании тепла это достигается практически всегда. Показатели таких аккумуляторов слабо зависят от вырабатываемой мощности, которая определяется расходом ТАМ и ограничивается только конструктивными и прочностными требованиями.

При косвенном аккумулировании повышение вырабатываемой мощности увеличивает градиент температур и ТАМ, что приводит либо к увеличению поверхности теплообмена, либо к неполному использованию запаса тепла. В любом случае это снижает эффективность аккумулирования.

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

К числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, несомненно, относятся жидкостные ТА, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала теплоносителя. Вследствие этого аккумуляторы такого типа особенно широко применяются для бытовых целей, в схемах различных электростанций (АЭС, АТЭЦ, солнечные и др.). В настоящее время применяются несколько основных конструктивных исполнений жидкостных ТА. Двухкорпусной ТА характеризуется раздельным хранением горячего и холодного ТАМ. В процессе зарядки один корпус заполняется горячим ТАМ, а другой – опорожняется. При работе горячий ТАМ подается потребителю и, отработав, попадает в корпус холодного ТАМ. Основным достоинством такого исполнения ТА является изотермичность каждого из корпусов и, как следствие, отсутствие в них термических напряжений и потерь, энергии на нагрев - охлаждение. Очевидно также, что объем корпусов используется нерационально и почти вдвое превышает объем ТАМ. Такое принципиальное решение целесообразно при большой разнице температур горячего и

холодного ТАМ, особенно в случаях использования солевых ТАМ и жидких металлов.

Рис. 2. Основные типы жидкостных аккумуляторов тепла (магистрали показаны в режиме разряда): а - двухконтурный; б - многокорпусный; в - вытеснительный; с - со скользящей температурой ТАМ; 1 - горячий ТАМ; 2 - холодный ТАМ; 3– потребитель; 4 - единый корпус; 5 - уровень жидкости; 6 - промежуточный теплоноситель.

С целью более рационального использования объема аккумулятора предложен многокорпусный вариант, в котором используется несколько корпусов с горячим ТАМ и один пустой (холодный). По мере разрядки заполняется сначала этот корпус, а затем освобождающиеся горячие по мере их опорожнения. Это приводит к появлению термических напряжений и потерь на нагрев во всех корпусах, кроме одного.

Наиболее рационально используется объем теплового аккумулятора в случае применения единого корпуса, заполненного в начале процесса горячим ТАМ.

В процессе работы горячий ТАМ забирается из верхней части ТА, а отработанный холодный ТАМ подается в нижнюю часть ТА. Такой тип жидкостного аккумулятора называется вытеснительным. Вследствие разности плотностей горячей и холодной жидкостей может обеспечиваться малое перемешивание жидкости (эффект «термоклина»), эффективность использования вытеснительных ТА снижается вследствие потерь тепла на перемешивание и теплопроводности между объемами горячего и холодного ТАМ, нагрев корпусов и т. п.

Тепловые аккумуляторы такого типа применяются для жидкостей, имеющих большой коэффициент линейного расширения.

При особых свойствах ТАМ или нецелесообразности для потребителя использования ТАМ в качестве теплоносителя применяются тепловые аккумуляторы со скользящей температурой (рис. 2, г ).

В этом случае промежуточный теплообменник может размещаться как в корпусе ТА, так и вне его. В процессе заряда происходит нагрев ТА с использованием либо промежуточного теплоносителя, либо электроэнергии, а в процессе остывания производится отвод тепла в промежуточном теплообменнике. Одним из характерных примеров такого ТА является «солнечный пруд», в котором отбор ТАМ нежелателен вследствие разрушения обратного градиента солености воды.

Конструктивное исполнение жидкостного теплового аккумулятора во многом определяется свойствами теплоаккумулирующего материала. В настоящее время наиболее широко применяются вода и водные растворы солей, высокотемпературные органические и кремнийорганические теплоносители, расплавы солей и металлов.

В диапазоне рабочих температур 0...100 о С вода является лучшим жидким ТАМ как по комплексу теплофизических свойств, так и по экономическим показателям. Дальнейшее повышение рабочей температуры воды связано с существенным ростом давления, что усложняет проектирование корпуса, повышает его стоимость. С целью обеспечения низких рабочих давлений ТАМ используются различные высокотемпературные теплоносители. При этом возникают проблемы подбора конструкционных материалов теплового аккумулятора и системы в целом, применения специальных устройств, предотвращающих отвердение ТАМ на всех режимах эксплуатации, герметизации ТА и ряд других.

Кроме этого, использование наиболее распространенного вытеснительного типа ТА связано с комплексом конструктивных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих минимальные потери энергии.

Тепловой аккумулятор – устройство, предназначенное для накопления тепловой энергии с целью ее использования в домах, зданиях, на промышленном производстве.

Тепловой аккумулятор или, как его иногда еще называют – буферная емкость – ни что иное, как обыкновенная бочка (круглая или квадратная). Но бочка эта не простая, а волшебная.

Она способна экономить ваши деньги и создавать комфортную температуру в доме. У самой простой модификации теплового аккумулятора два выхода вверху и два внизу. Что еще может быть проще? Про тепловой аккумулятор наслышаны многие, но когда и как его применить, сэкономив при этом на отоплении, знают далеко не все.

Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора:

У вас стоит твердотопливный котел;

Вы отапливаетесь электричеством;

В помощь к отоплению добавлены солнечные коллекторы;

Есть возможность утилизировать тепло от агрегатов и машин.

Самый распространенный случай применения теплового аккумулятора, когда в качестве источника тепла используется твердотопливный котел. Тот, кто пользовался твердотопливным котлом для отопления своего дома знает, какого комфорта можно добиться с помощью подобной отопительной системы. Затопил – разделся, прогорел – оделся. По утрам в доме с таким источником тепла не хочется вылазить из-под одеяла. Регулировать процесс горения в твердотопливнос котле очень трудно.Топить нужно и при +10С, и при -40С. Горение и количество выделяемого тепла будет одинаковым, только вот этого самого тепла нужно совсем по-разному. Что же делать? О каком КПД может идти речь, когда при плюсовой температуре приходится открывать окна. Ни о каком комфорте и речи быть не может.

Схема монтажа твердотопливного котла с тепловым аккумулятором – идеальное решение для частного дома, когда хочется и уюта, и экономии. При подобной компановке вы растапливаете твердотопливный котел, нагреваете воду в тепловом аккумуляторе и получаете столько тепла, сколько вам нужно. При этом котел будет работать на максимальной мощности и с наибольшим КПД. Сколько тепла дадут дрова или уголь, столько и запасете.

Второй вариант. Монтаж теплового аккумулятора с электрокотлом. Данное решение сработает, если у вас имеется двухтарифный электросчетчик. Запасаем тепло по ночному тарифу, расходуем и днем, и ночью. Если вы решили применить такую систему обогрева, лучше поискать тепловой аккумулятор с возможностью установки электротена прямо в бочку. Электротен стоит дешевле электрического котла, да и материала для обвязки котла не потребуется. Минус работа по монтажу электрокотла. Представляете сколько можно сэкономить?

Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Весь избыток тепла можно скидывать в тепловой аккумулятор. В демисезонье получается отличная экономия.

Расчет теплового аккумулятора

Формула расчета очень простая:

Q = mc(T2-T1), где:

Q - накопленная теплота;

m - масса воды в баке;

с - удельная теплоемкость теплоносителя в Дж/(кг*К), для воды равная 4200;

Т2 и Т1 - начальная и конечная температуры теплоносителя.

Допустим, у нас радиаторная система отопления. Радиаторы подобраны под температурный режим 70/50/20. Т.е. при опускании температуры в баке аккумулятора ниже 70С, мы начнем испытывать недостачу тепла, то есть попросту замерзать. Давайте расчитаем, когда это произойдет.

90 – это наши Т1

70 – это Т2

20 – температура в помещении. Она нам в расчете не понадобится.

Допустим, у нас тепловой аккумулятор на 1000 литров (1м3)

Считаем запас тепла.

Q =1000*4200*(90-70)=84 000 000 Дж или 84 000 кДж

1 кВт-ч = 3600 кДж

84000/3600=23,3 кВт тепла

Если теплопотери дома – 5 кВт в холодную пятидневку, то нам хватит запасенного тепла почти на 5 часов. Соответственно, если температура выше расчетной на холодную пятидневку, то теплового аккумулятора будет достаточно на более продолжительное время.

Подбор объема теплового аккумулятора зависит от ваших задач. Если необходимо сгладить температуру, ставим небольшой объем. Если требуется накопить тепло вечером, чтобы утром проснуться в теплом доме, нужен большой агрегат. Пусть стоит вторая задача. С 2300 до 0700 – должен быть запас тепла.

Предположим, что теплопотери – 6 кВт, а температурный режим системы отопления – 40/30/20. Теплоноситель в тепловом аккумуляторе может разогреться до 90С

Время запаса 8 часов. 6*8=48 кВт

M = Q /4200*(Т2-Т1)

48*3600=172800 кДж

V =172800/4200*50=0,822 м3

Тепловой аккумулятор от 800 до 1000 литров удовлетворит нашим требованиям.

Плюсы использования теплового аккумулятора в доме с утеплением

Если на вашем участке нет народного достояния – магистрального газа, впору задуматься о правильной системе отопления. Самое лучшее время, когда только готовится проект, а самое неподходящее – когда вы уже живете в доме и поняли, что отопление обходится очень дорого.

Идеальный дом для монтажа твердотопливного котла и теплового аккумулятора – это здание с хорошим утеплением и низкотемпературной системой отопления. Чем лучше утепление, тем меньше теплопотери и тем дольше ваш тепловой аккумулятор сможет поддерживать комфортное тепло.

Низкотемпературная система отопления. Выше мы привели пример с радиаторами, когда температурный режим составлял 90/70/20. При низкотемпературном режиме условия будут – 35/30/20. Почувствуйте разницу. В первом случае уже при понижении температуры ниже 90 градусов вы почувствуете недостачу тепла. В случае с низкотемпературной системой, можно спокойно спать до утра. Зачем быть голословным. Предлагаем просто посчитать выгоду.

Способ мы просчитали выше.

Вариант с низкотемпературной системой отопления

Q =1000*4200*(90-35)=231 000 000 Дж (231000 кДж)

231000/3600=64,2 кВт. Это почти в три раза больше при одинаковом объеме теплового аккумулятора. При теплопотерях – 5 кВт такого запаса хватит на всю ночь.

А теперь о финансах. Допустим, мы смонтировали тепловой аккумулятор с электрическими тенами. Запасаем по ночному тарифу. Мощность тенов – 10 кВт. 5 кВт уходит на текущий обогрев дома в ночное время, 5 кВт мы можем запасти на день. Ночной тариф с 23-00 до 07-00. 8 часов.

8*5=40 кВт. Т.е. днем мы будем пользоваться в течении 8-ми часов ночным тарифом.

С 1 го января 2015 года в Краснодарском крае дневной тариф составляет 3,85, ночной – 2,15.

Разница – 3,85-2,15=1,7 рубля

40*1,7=68 рублей. Сумма кажется маленькой, но не спешите. Выше мы давали ссылки на утепленный дом и неутепленный. Представим, что вами сделана ошибка – дом построен, вы уже прошли первый отопительный сезон и поняли, что отопление электричеством обходится очень дорого. Выше мы привели пример теплопотерь неутепленного дома. В примере теплопотери составляют 18891 ватт. Это в холодную пятидневку. Средняя за отопительный сезон будет ровно в 2 раза меньше и составит 9,5 кВт.

Следовательно, за отопительный сезон нам необходимо 24*149*9,5=33972 кВт

В рублях 16 часов, 2/3 (22648) по дневному тарифу, 1/3 (11324 кВт) по ночному.

22648*3,85=87195 руб

11324*3,85=24346 руб

Итого: 111541 руб. Цифра за тепло просто ужасающая. Такая сумма способна опустошить любой бюджет. Если же ночью запасти тепло, то можно сэкономить. 38502 рублей за отопительный сезон. Немалая экономия. Если у вас такие расходы, в пару к электрокотлу необходимо ставить твердотопливный котел или камин с водяной рубашкой. Есть время и желание – закинули дровишки, запасли тепло в тепловой аккумулятор, остальное добиваем электричеством.

В утепленном доме с тепловым аккумулятором стоимость отопительного сезона будет сопоставима с аналогичными неутепленными домами, в которых есть магистральный газ.

Наш выбор, когда нет магистрального газа, такой:

Хорошо утепленный дом;

Низкотемпературная система отопления;

Тепловой аккумулятор;

Твердотопливный котел иди водяной камин;

Электрокотел.

Если у вас в доме имеется котельная установка, работающая на твердом топливе, то вам должно быть известно, что она не способна функционировать долгое время без вмешательства человека. Это обусловлено необходимостью периодически загружать дрова в топку. Если этого вовремя не сделать, то система начнет остывать, а температура в комнатах будет понижаться.

Если отключится электроэнергия при разгоревшейся топке, то возникнет опасность закипания воды в рубашке оборудования, следствием чего станет ее разрушение. Данные проблемы можно решить методом установки теплоаккумулятора. Он выполняет еще и роль защиты установок из чугуна от растрескивания, когда происходит резкий перепад температуры сетевой воды.

Использование теплоаккумулятора в быту

Аккумулятор тепловой стал для многих современных систем отопления незаменимым устройством. С помощью данного дополнения можно обеспечить накапливание избытка энергии, вырабатываемой в котле и обычно расходуемой напрасно. Если рассматривать модели теплоаккумуляторов, то большинство из них имеют вид стального бака, который обладает несколькими верхними и нижними патрубками. К последним подключается источник тепла, тогда как к первым - потребители. Внутри находится жидкость, которую можно использовать для решения разных задач.

Аккумулятор тепловой используется в быту довольно часто. В основе его работы лежит внушительная теплоемкость воды. Функционирование данного прибора можно описать следующим образом. К верхней части бака подключается трубопровод котельного оборудования. В бак поступает горячий теплоноситель, который оказывается нагретым максимально.

Циркулирующий насос находится снизу. Он вбирает холодную воду и запускает по системе отопления, направляя в котел. Остывшая жидкость в течение короткого времени сменяется нагретой. Как только котел перестает работать, теплоноситель начинает остывать в трубах и трубопроводных магистралях. Вода попадает в бак, где начинает вытеснять горячий теплоноситель в трубы. Обогрев помещения будет продолжаться еще в течение некоторого времени по такому принципу.

Роль теплоаккумулятора

Аккумулятор тепловой в быту способен выполнять множество полезных функций, среди них:

• стабилизация температурного режима в доме;
• обеспечение помещений горячим водоснабжением;
• увеличение коэффициента полезного действия системы до максимально возможного;
• снижение денежных затрат на топливо;
• накапливание избыточной энергии от котла;
• объединение нескольких источников тепла в один контур;
• возможность разъединения источников тепла.

Что еще необходимо знать об особенностях использования в быту

На сегодняшний день известно несколько методик расчета объема резервуара. Как показывает опыт, на каждый киловатт мощности оборудования необходимо 25 л воды. Коэффициент полезного действия котла, который предусматривает необходимость наличия системы отопления с аккумулятором тепла, повышается до 84%. Пик горения нивелируется, за счёт этого энергоресурсы экономятся в объеме до 30%.

Аккумулятор тепловой обеспечивает сохранение температуры благодаря надежной теплоизоляции из вспененного полиуретана. Дополнительно предусмотрена возможность монтажа ТЭНов, которые позволяют при необходимости нагревать воду.

Когда нужен теплоаккумулятор

Аккумулирование тепла необходимо при большой потребности в водоснабжении. Этот случай распространяется на коттеджи, в которых проживает более 5 человек.

Аккумулирование тепла необходимо и в тех домах, где два санузла. Тепловой аккумулятор требуется и при использовании котлов на твердом топливе. Описываемые приборы сглаживают работу оборудования в часы высоких нагрузок, собирая излишки тепла и исключая закипание. С помощью подобного устройства можно увеличить время между закладками топлива.

Другие виды аккумуляторов тепла

Тепловой аккумулятор для автомобиля тоже может быть использован. Он представляет собой термос, который обеспечивает легкий запуск двигателя при низких температурах. Этот прибор накапливает и отдает тепло. Работает он автономно и почти не требует приложения дополнительной энергии. Принцип его работы заключается в том, что антифриз нагревается от работающего двигателя до 90°С, а если его поместить в тепловой аккумулятор, то он будет оставаться горячим ещё в течение двух суток.

Перед тем как запустить холодный двигатель, потребителю нужно будет включить электронасос, который закачает жидкость в двигатель. Уже через несколько минут мотор окажется прогретым, а значит, его можно будет подключить к автомобильной сигнализации.

Тепловой аккумулятор для ракет "Земля-Воздух" тоже был изобретён. Его производство было налажено, что удалось увеличить эффективность ПВО. Сегодня тепловые аккумуляторы, к сожалению, могут использоваться для создания заминированных машин, которые управляются дистанционно.

Изготовление теплоаккумулятора своими руками

Наиболее простую модель аккумулятора можно изготовить самостоятельно, при этом следует руководствоваться принципами работы термоса. За счёт стенок, которые не проводят тепло, жидкость долго будет оставаться горячей. Для работы следует подготовить:

• скотч;
• бетонную плиту;
• теплоизоляционный материал;
• медные трубки или ТЭНы.

Когда изготавливается при выборе бака необходимо учитывать желаемую емкость, она должна начинаться от 150 л. Можно подобрать любую металлическую бочку. Но если выбрать объём меньше упомянутого, то смысл теряется. Емкость подготавливается, изнутри удаляется пыль и мусор, участки, где начала образовываться коррозия, необходимо обработать соответствующим образом.

Методика проведения работ

На следующем этапе необходимо подготовить утеплитель, его нужно будет обернуть вокруг бочки. Он станет отвечать за сохранение тепла. Для самодельной конструкции отлично подходит минеральная вата. С внешней стороны ею окутывается бак, а после вся конструкция защищается скотчем. Дополнительно поверхность можно накрыть фольгированной пленкой или металлом.

Когда выполняется тепловой аккумулятор для отопления, важно обеспечить подогрев воды внутри, для этого обычно используется один из существующих способов. Это может быть установка электрических ТЭНов или змеевика, по которому будет пускаться вода. Первый вариант нельзя назвать безопасным, кроме того, он достаточно сложный в реализации, поэтому от него лучше отказаться. А вот змеевик вы можете выполнить из медной трубки, диаметр которой варьируется в пределах от 2 до 3 см.

Длина изделия может быть равна пределу от 8 до 15 мм. Из трубки собирается спираль, которую нужно поместить внутрь емкости. В данной модели аккумулятором выступит верхняя часть бочки. Снизу необходимо расположить еще один патрубок, который будет вводным. Через него станет поступать холодная вода. Патрубки следует дополнить кранами.

На этом можно считать, что простое устройство теплоаккумулятора готово к эксплуатации, но для начала необходимо решить вопрос, связанный с пожарной безопасностью. Такая установка должна располагаться на бетонной плите, ее по возможности отгораживают стенками.

Заключение

Тепловой аккумулятор для ракеты - это устройство, которое далеко от понимания обычного потребителя. А вот теплоаккумулятор для системы отопления вы вполне сможете подключить самостоятельно. Для этого транзитом через бак должен будет проходить обратный трубопровод, на концах которого предусмотрены выход и вход.

На первом этапе между собой следует соединить бак и обратку котла. Между ними располагается циркуляционный насос, он будет перегонять теплоноситель из бочки в отсекающий кран, отопительные приборы и расширительный бак. Со второй стороны устанавливается циркуляционный насос и отсекающий кран.

Источник фото - сайт http://www.devi-ekb.ru

Используя накопители тепловой энергии можно экономически эффективно сместить потребление гигаватт энергии. Но на сегодняшний день рынок таких накопителей катастрофически мал, по сравнению с потенциальными возможностями. Основная причина кроется в том, что на начальном этапе зарождения систем аккумуляции тепла, производителями уделялась мало значения исследованиям в этой области. Впоследствии производители в погони за новыми стимулами привели к тому, что технология испортилась, а люди стали неверно понимать ее цели и методы.

Наиболее очевидной и объективной причиной использования системы аккумуляции тепла, является эффективное сокращение количества затрачиваемых средств на потребляемую энергию, к тому же стоимость энергии в пиковые часы, значительно выше, чем в другое время.

Мифы о системах накопления энергии

Миф 1. Нечастое применение таких систем

В настоящее время на рынке широко представлены системы накопления (аккумуляции) тепловой энергии, и многие активно их используют. Отличным примерами, которые демонстрируют значение накопленной энергии, являются бытовые водонагреватели, в которых такую систему называют «системой внепикового охлаждения». Для того, чтобы мгновенно нагреть воду требуется около 18 кВт, но самые мощные нагреватели имеют нагревательные элементы мощностью 4,5 кВт. Поэтому требуется в 4 раза меньше инфраструктур, необходимых про проведения проводки кабеля и соответственно, уменьшенное потребление энергии.

Никем не устанавливаются нагреватели, рассчитанные на потребление мгновенно максимально рассчитанную нагрузку, такая же практика существует и для системы климатизации. Причем установка системы с чиллером обычно уменьшается на 40—50 % (уменьшение инфраструктуры).

Миф 2. Системы аккумуляции тепла занимают очень много места

Возвращаясь к обычному водонагревателю? Много ли он занимает места в Вашем доме?

К тому же, как правило, используется система с частичным накоплением тепла, которая обеспечивает около трети необходимой мощности, потому и места такая установка занимает мало.

Миф 3. Такие системы слишком сложны

Обычный водонагреватель имеет простую конструкцию. Он содержит нагреватель, мощность которого ниже мощности, которая обеспечивает максимальные нагрузки, а его включение происходит в момент, когда температура вводы опускается ниже 95 % от заданной.

Емкость данной системы является простым примером накопителем тепла, который не имеет никаких движущих частей. В системе с частичным обеспечением нагрузки не может произойти отказа, так как в них отсутствует способность случайного задания большого потребления электроэнергии. Большие системы внепикового охлаждения имеют более сложные структуры управления, поэтому с ними может возникать множество проблем, а проектировщику придется потрудиться, чтобы спроектировать эффективную систему со значительной экономией ресурсов.

Миф 4. Отсутствие резервирования (запаса) при частичном накоплении энергии

Практически любая система внепикового охлаждения способна удовлетворять такому же резервирования, как и обычная система такой же стоимости.

Миф 5. Большие капитальные затраты

Получить действующие цены на оборудование проблематично, так как производители их опубликовывают неохотно. Хотя во многих исследованиях указываются низкие цены себестоимости систем. Рассчитаем примерную стоимость системы, используя в качестве удельной стоимости примерную величину в 256 $ на киловатт охлаждения, при этом получим приблизительную стоимость на установку всей системы:

Система, не использующая накопление энергии:

3 чиллера с мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 1 080 000 долларов.

Система, использующая частичное накопление тепла:

2 чиллера мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 720 000 долларов.

Система аккумуляции льда на 12300 кВтч x 28 $/кВт.ч ≈ 350 000 долларов.

Общая стоимость системы: ≈ 1 070 000 долларов.

Некоторые особенности оборудования и его расположение в системе могут привести к дополнительным капитальным затратам, однако, конкурировать по стоимости такие системы могут запросто.

Миф 6. Нет обеспечения экономии энергии

Анализируя экономию, необходимо рассмотреть как энергию, которая потребляется в здании, так и энергию, которая используется в источнике ее производства на электростанции. Энергоэффективное оборудование в большинстве своем призвано снижать потребление энергии, при этом, не снижая времени ее использования. Системы внепикового охлаждения экономят энергию за счет переноса ее "за счетчик". Вероятность экономии - 50/50.

Миф 7. Тарифы на электроэнергию могут изменяться, что может привести не только к отсутствию экономии, но и к увеличению затрат

Конечно, изменение тарифов неизбежно, но условия и потребление энергии остаются неизменными.

Можно надеяться, что когда-нибудь нагрузки в дневные и ночные часы сравняются, но такое произойдет, вряд ли, поэтому существенная разница в тарифах будет существовать еще долгие годы.

Достаточно известной на сегодняшний день системой аккумуляции тепла является система «теплый пол», в которой кабель заливается стяжкой 5 см. Но немногие знают, что увеличение стяжки до 10-15 см поможет не только снизить расходы, но и начать процесс накапливания тепла.

Раньше для накопления тепла использовали «тепловые пушки», которые не грели пространство около непосредственного нахождения людей, и к тому же сжигали кислород. Кабельные же системы обогрева не только позволяют эффективно аккумулировать тепло, но еще и создают комфортный микроклимат в помещении.

Одной из причин, позволяющих экономию сделать значительной, стало введение новых трехтарифных счетчиков электроэнергии, но не у многих есть возможность использовать систему обогрева в ночные часы. Использование кабельной системы вкупе со стяжкой 5 см позволяет нагревать быстро кабель, но в тоже время происходит и быстрое его остывание. То есть процесс имеет циклический характер. Увеличение стяжки до 10-15 см позволяет дольше сохранять тепло, а значит и длительность цикла увеличивается до нескольких часов.