Akumulacja energii cieplnej dla ogrodu. Eksploatacja sieci cieplnych

Ekologia konsumpcji Nauka i technologia: Jeden z głównych problemów alternatywna energia- nierównomierny odbiór jej ze źródeł odnawialnych. Zastanówmy się, w jaki sposób można magazynować energię (chociaż w praktyce będziemy musieli zamienić zmagazynowaną energię w energię elektryczną lub ciepło).

Jednym z głównych problemów energii alternatywnej jest jej nierównomierna podaż ze źródeł odnawialnych. Słońce świeci tylko w ciągu dnia, a przy bezchmurnej pogodzie wiatr albo wieje, albo słabnie. Tak, a zapotrzebowanie na energię elektryczną nie jest stałe, na przykład mniej zużywa się na oświetlenie w ciągu dnia, a więcej wieczorem. A ludzie lubią, kiedy miasta i wsie są nocą zalewane iluminacjami. Cóż, a przynajmniej tylko ulice są oświetlone. Powstaje więc zadanie - oszczędzać otrzymaną energię przez jakiś czas, aby móc z niej korzystać, gdy zapotrzebowanie na nią jest maksymalne, a przepływ nie wystarcza.

Istnieje 6 głównych rodzajów energii: grawitacyjna, mechaniczna, termiczna, chemiczna, elektromagnetyczna i jądrowa. Do tej pory ludzkość nauczyła się tworzyć sztuczne baterie na energię pierwszych pięciu typów (no, z wyjątkiem faktu, że dostępne zapasy paliwa jądrowego są pochodzenia sztucznego). Tutaj rozważymy, w jaki sposób każdy z tych rodzajów energii może być magazynowany i przechowywany (chociaż ze względów praktycznych będziemy musieli zamienić zgromadzoną energię w energię elektryczną lub ciepło).

Akumulatory energii grawitacyjnej

W tego typu akumulatorach na etapie gromadzenia energii ładunek podnosi się, gromadząc energię potencjalną, aw odpowiednim momencie opada, oddając tę ​​energię z korzyścią. Użycie ciał stałych lub cieczy jako ładunku wnosi własne cechy do projektu każdego typu. Pozycję pośrednią między nimi zajmuje użycie materiałów sypkich (piasek, śrut ołowiany, małe stalowe kulki itp.).

Grawitacyjne magazynowanie energii w stanie stałym

Istotą grawitacyjnych mechanicznych urządzeń magazynujących jest to, że pewien ładunek unosi się na wysokość i jest uwalniany w odpowiednim czasie, zmuszając po drodze do obracania się osi generatora. Przykładem wdrożenia takiego sposobu magazynowania energii jest urządzenie zaproponowane przez kalifornijską firmę Advanced Rail Energy Storage (ARES). Pomysł jest prosty: w czasach, gdy panele słoneczne i wiatraki produkują dużo energii, specjalne ciężkie samochody są napędzane pod górę za pomocą silników elektrycznych. W nocy i wieczorem, gdy brakuje źródeł energii, aby zapewnić konsumentom, samochody gasną, a silniki, pracując jako generatory, zwracają zgromadzoną energię z powrotem do sieci.

Prawie wszystkie mechaniczne urządzenia magazynujące tej klasy mają bardzo prostą konstrukcję, a co za tym idzie wysoką niezawodność i długą żywotność. Czas magazynowania raz zmagazynowanej energii jest praktycznie nieograniczony, o ile obciążenie i elementy konstrukcyjne nie rozpadną się z czasem na skutek starości lub korozji.

Energia zmagazynowana podczas podnoszenia ciał stałych może zostać uwolniona w bardzo krótkim czasie Krótki czas. Ograniczeniem mocy odbieranej z takich urządzeń jest jedynie przyspieszenie swobodnego spadania, które określa maksymalne tempo narastania prędkości spadającego ładunku.

Niestety jednostkowa energochłonność takich urządzeń jest niewielka i określa ją klasyczny wzór E = m · g · h. Tak więc, aby zmagazynować energię do podgrzania 1 litra wody z 20°C do 100°C, konieczne jest podniesienie tony ładunku co najmniej na wysokość 35 metrów (lub 10 ton na 3,5 metra). Dlatego, gdy pojawia się potrzeba magazynowania większej ilości energii, od razu prowadzi to do konieczności tworzenia nieporęcznych iw konsekwencji kosztownych konstrukcji.

Wadą takich systemów jest również to, że droga, po której porusza się ładunek, musi być swobodna i w miarę prosta, a także konieczne jest wykluczenie możliwości przypadkowego wprowadzenia rzeczy, ludzi i zwierząt w ten obszar.

Magazynowanie płynów grawitacyjnych

W przeciwieństwie do ładunków stałych, przy użyciu cieczy nie ma potrzeby tworzenia prostych wałów o dużym przekroju na całej wysokości windy - płyn doskonale porusza się również po zakrzywionych rurach, których przekrój powinien wystarczyć tylko do przepuszczać przez nie maksymalny przepływ projektowy. Dlatego górny i dolny zbiornik nie muszą być umieszczone jeden pod drugim, ale mogą być oddalone od siebie o odpowiednio dużą odległość.

Ta klasa obejmuje elektrownie szczytowo-pompowe (PSPP).

Istnieją również mniejsze akumulatory hydrauliczne energii grawitacyjnej. Najpierw pompujemy 10 ton wody z podziemnego zbiornika (studni) do zbiornika na wieży. Następnie woda ze zbiornika pod działaniem grawitacji spływa z powrotem do zbiornika, obracając turbinę z generatorem elektrycznym. Żywotność takiego napędu może wynosić 20 lat lub więcej. Zalety: przy zastosowaniu turbiny wiatrowej ta ostatnia może bezpośrednio napędzać pompę wodną, ​​wodę ze zbiornika na wieży można wykorzystać do innych potrzeb.

Niestety układy hydrauliczne są trudniejsze do utrzymania w należytym stanie technicznym niż układy półprzewodnikowe - dotyczy to przede wszystkim szczelności zbiorników i rurociągów oraz sprawności urządzeń odcinających i pompujących. Jeszcze jedna rzecz ważny warunek- w momentach gromadzenia i wykorzystywania energii płyn roboczy (przynajmniej jego odpowiednio duża część) musi znajdować się w stanie płynnym skupienia, a nie w postaci lodu lub pary. Ale czasami w takich akumulatorach można uzyskać dodatkową darmową energię, na przykład podczas uzupełniania górnego zbiornika wodą stopioną lub deszczową.

Magazynowanie energii mechanicznej

Energia mechaniczna przejawia się w oddziaływaniu, ruchu poszczególnych ciał lub ich cząstek. Obejmuje energię kinetyczną ruchu lub obrotu ciała, energię odkształcenia podczas zginania, rozciągania, skręcania, ściskania ciał sprężystych (sprężyn).

Żyroskopowe magazynowanie energii

W akumulatorach żyroskopowych energia magazynowana jest w postaci energii kinetycznej szybko obracającego się koła zamachowego. Konkretna energia zmagazynowana na kilogram masy koła zamachowego jest znacznie większa niż ta, którą można zmagazynować w kilogramie ciężaru statycznego, nawet podnosząc go na dużą wysokość, a najnowsze osiągnięcia technologiczne obiecują zmagazynowaną gęstość energii porównywalną z energią chemiczną na masy jednostkowej najbardziej wydajnych rodzajów paliw chemicznych.

Kolejnym ogromnym plusem koła zamachowego jest możliwość szybkiego powrotu lub odebrania bardzo dużej mocy, ograniczonej jedynie wytrzymałością materiałów na rozciąganie w przypadku przekładni mechanicznej lub „pojemnością” przekładni elektrycznych, pneumatycznych czy hydraulicznych.

Niestety koła zamachowe są wrażliwe na wstrząsy i obroty w płaszczyznach innych niż płaszczyzna obrotu, ponieważ powoduje to powstanie ogromnych obciążeń żyroskopowych, które mają tendencję do wyginania osi. Ponadto czas magazynowania energii zgromadzonej przez koło zamachowe jest stosunkowo krótki i dla konwencjonalnych konstrukcji wynosi zwykle od kilku sekund do kilku godzin. Ponadto straty energii spowodowane tarciem stają się zbyt zauważalne… Jednak nowoczesne technologie pozwala radykalnie wydłużyć czas przechowywania – nawet do kilku miesięcy.

Na koniec jeszcze jeden nieprzyjemny moment - energia zmagazynowana przez koło zamachowe zależy bezpośrednio od jego prędkości obrotowej, dlatego w miarę gromadzenia lub uwalniania energii prędkość obrotowa zmienia się cały czas. Jednocześnie obciążenie bardzo często wymaga stałej prędkości obrotowej, nieprzekraczającej kilku tysięcy obrotów na minutę. Z tego powodu czysto mechaniczne systemy przenoszenia mocy do iz koła zamachowego mogą być zbyt skomplikowane, aby je wyprodukować. Czasami sytuację można uprościć, stosując elektromechaniczną przekładnię wykorzystującą silnik-generator umieszczony na tym samym wale co koło zamachowe lub połączony z nim sztywną przekładnią. Ale wtedy straty energii na przewody grzejne i uzwojenia są nieuniknione, które mogą być znacznie większe niż straty tarcia i poślizgu w dobrych wariatorach.

Szczególnie obiecujące są tak zwane super koła zamachowe, które składają się ze zwojów taśmy stalowej, drutu lub bardzo wytrzymałego włókna syntetycznego. Uzwojenie może być gęste lub może mieć specjalnie pozostawioną pustą przestrzeń. W tym ostatnim przypadku, gdy koło zamachowe się odwija, zwoje taśmy przesuwają się od jej środka do obwodu obrotu, zmieniając moment bezwładności koła zamachowego, a jeśli taśma jest sprężynowa, to magazynując część energii w energii sprężystego odkształcenia sprężyny. Dzięki temu w takich kołach zamachowych prędkość obrotowa nie jest tak bezpośrednio związana ze zgromadzoną energią i jest dużo bardziej stabilna niż w najprostszych konstrukcjach jednoczęściowych, a ich energochłonność jest zauważalnie większa.

Oprócz większej energochłonności są one bezpieczniejsze w przypadku różnych wypadków, ponieważ w przeciwieństwie do fragmentów dużego monolitycznego koła zamachowego, porównywalnego energią i siłą niszczącą do kul armatnich, fragmenty sprężyny mają znacznie mniejszą „siłę uszkadzającą” i zwykle dość skutecznie spowolnić pęknięte koło zamachowe z powodu tarcia o ścianki obudowy. Z tego samego powodu nowoczesne stałe koła zamachowe, zaprojektowane do pracy w trybach zbliżonych do redystrybucji wytrzymałości materiału, często nie są monolityczne, ale tkane z kabli lub włókien impregnowanych spoiwem.

Nowoczesne konstrukcje z próżniową komorą wirującą i magnetycznym zawieszeniem super koła zamachowego wykonanego z włókna kevlarowego zapewniają zmagazynowaną gęstość energii na poziomie ponad 5 MJ/kg, a energię kinetyczną mogą magazynować przez tygodnie i miesiące. Według optymistycznych szacunków zastosowanie do uzwojenia wytrzymałego włókna „superwęglowego” zwiększy wielokrotnie prędkość obrotową i gęstość właściwą zmagazynowanej energii – do 2-3 GJ/kg (obiecują, że jedno rozkręcenie takie koło zamachowe o wadze 100-150 kg wystarczy na przejechanie miliona kilometrów lub więcej, czyli praktycznie na całe życie auta!). Jednak koszt tego włókna jest też wielokrotnie wyższy od kosztu złota, więc nawet arabskich szejków na razie nie stać na takie maszyny... Więcej szczegółów na temat napędów na koła zamachowe można znaleźć w książce Nurbeya Gulii.

Magazynowanie energii żyrorezonansu

Napędy te są tym samym kołem zamachowym, ale wykonanym z elastycznego materiału (na przykład gumy). Dzięki temu ma zasadniczo nowe właściwości. Wraz ze wzrostem prędkości na takim kole zamachowym zaczynają tworzyć się „wyrostki” - „płatki” - najpierw zamienia się w elipsę, a następnie w „kwiat” z trzema, czterema lub więcej „płatkami”… Co więcej, po uformowaniu zaczyna się „płatków”, prędkość obrotowa koła zamachowego już praktycznie się nie zmienia, a energia jest magazynowana w rezonansowej fali sprężystego odkształcenia materiału koła zamachowego, który tworzy te „płatki”.

Pod koniec lat 70. i na początku lat 80. NZ Garmash zajmował się takimi konstrukcjami w Doniecku. Jego wyniki są imponujące - według jego szacunków przy prędkości roboczej koła zamachowego wynoszącej zaledwie 7-8 tys. Niestety, nowsze informacje na temat tego typu napędu nie są znane.

Akumulatory mechaniczne wykorzystujące siły sprężyste

Ta klasa urządzeń charakteryzuje się bardzo dużą pojemnością właściwą zmagazynowanej energii. Jeśli konieczne jest zachowanie małych wymiarów (kilka centymetrów), jego energochłonność jest najwyższa wśród mechanicznych urządzeń magazynujących. Jeśli wymagania dotyczące charakterystyki masy i rozmiaru nie są tak rygorystyczne, to duże ultraszybkie koła zamachowe przewyższają je pod względem energochłonności, ale są znacznie bardziej wrażliwe na czynniki zewnętrzne i mają znacznie krótszy czas magazynowania energii.

Akumulatory mechaniczne sprężynowe

Ściskanie i rozciąganie sprężyny może zapewnić bardzo duży przepływ i dostarczanie energii w jednostce czasu - być może największą moc mechaniczną spośród wszystkich typów urządzeń do magazynowania energii. Podobnie jak w kołach zamachowych, jest to ograniczone jedynie wytrzymałością materiałów na rozciąganie, ale sprężyny zwykle wykonują roboczy ruch postępowy bezpośrednio, aw kołach zamachowych nie można obejść się bez dość skomplikowanej przekładni (to nie przypadek, że broń pneumatyczna wykorzystuje albo mechaniczne sprężyny główne, albo kanistry gazowe, które w swej istocie są wstępnie naładowanymi sprężynami pneumatycznymi; przed pojawieniem się broni palnej do walki na odległość wykorzystywano również broń sprężynową – łuki i kusze, które na długo przed nową erą całkowicie zastąpiony wojska zawodowe zawiesie z magazynem energii kinetycznej).

Czas magazynowania energii zgromadzonej w ściśniętej sprężynie może wynosić wiele lat. Należy jednak pamiętać, że pod wpływem stałego odkształcenia każdy materiał z czasem kumuluje zmęczenie, a sieć krystaliczna metalu sprężyny powoli się zmienia, a im większe są naprężenia wewnętrzne i im wyższa temperatura otoczenia, tym szybciej i w większym stopniu tak się stanie. Dlatego po kilkudziesięciu latach ściśnięta sprężyna, nie zmieniając się zewnętrznie, może okazać się „rozładowana” całkowicie lub częściowo. Jednak wysokiej jakości stalowe sprężyny, jeśli nie zostaną poddane przegrzaniu lub wychłodzeniu, są w stanie pracować przez wieki bez widocznej utraty wydajności. Na przykład stary mechaniczny zegar ścienny z jednej pełnej fabryki nadal działa przez dwa tygodnie - tak jak ponad pół wieku temu, kiedy został wyprodukowany.

Jeśli konieczne jest stopniowe równomierne „napinanie” i „rozładowywanie” sprężyny, mechanizm, który to zapewnia, może być bardzo złożony i kapryśny (spójrz na ten sam zegarek mechaniczny - w rzeczywistości wiele kół zębatych i innych części służy temu właśnie celowi ). Transmisja elektromechaniczna może uprościć sytuację, ale zwykle nakłada znaczne ograniczenia na moc chwilową takiego urządzenia, a przy pracy z małymi mocami (kilkaset watów lub mniej) jego wydajność jest zbyt niska. Osobnym zadaniem jest zgromadzenie maksymalnej energii w minimalnej objętości, gdyż w tym przypadku powstają naprężenia mechaniczne bliskie wytrzymałości ostatecznej użytych materiałów, co wymaga szczególnie starannych obliczeń i nienagannego wykonania.

Mówiąc tutaj o sprężynach, należy mieć na uwadze nie tylko metal, ale także inne sprężyste elementy stałe. Najpopularniejsze z nich to gumki recepturki. Nawiasem mówiąc, pod względem energii zmagazynowanej na jednostkę masy guma dziesięciokrotnie przewyższa stal, ale służy też mniej więcej tyle samo razy mniej iw przeciwieństwie do stali traci swoje właściwości po kilku latach nawet bez aktywnego użytkowania i przy idealnej zewnętrznej warunki warunki - ze względu na stosunkowo szybkie starzenie chemiczne i degradację materiału.

Mechaniczny magazyn gazu

W tej klasie urządzeń magazynowanie energii wynika z elastyczności sprężonego gazu. Przy nadmiarze energii sprężarka pompuje gaz do cylindra. Gdy wymagane jest wykorzystanie zmagazynowanej energii, sprężony gaz jest dostarczany do turbiny, która bezpośrednio wykonuje niezbędną pracę mechaniczną lub obraca generator elektryczny. Zamiast turbiny można zastosować silnik tłokowy, który jest bardziej wydajny przy małej mocy (nawiasem mówiąc, istnieją również odwracalne silniki tłokowe-sprężarki).

Prawie każda nowoczesna sprężarka przemysłowa jest wyposażona w podobny akumulator - odbiornik. To prawda, że ​​\u200b\u200bciśnienie rzadko przekracza 10 atm, a zatem rezerwa energii w takim odbiorniku nie jest bardzo duża, ale nawet to zwykle pozwala kilkakrotnie zwiększyć zasoby instalacji i zaoszczędzić energię.

Gaz sprężony do ciśnienia dziesiątek i setek atmosfer może zapewnić odpowiednio wysoką gęstość zmagazynowanej energii przez niemal nieograniczony czas (miesiące, lata, a przy wysokiej jakości odbiornika i zaworów - dziesiątki lat - nie jest to bez powodu broń pneumatyczna wykorzystująca naboje ze sprężonym gazem stała się tak powszechna). Jednak wchodząca w skład instalacji sprężarka z turbiną lub silnikiem tłokowym to urządzenia dość skomplikowane, kapryśne i dysponujące bardzo ograniczonymi zasobami.

Obiecującą technologią tworzenia rezerw energii jest sprężanie powietrza kosztem dostępnej energii w czasie, gdy nie ma na nią bezpośredniej potrzeby. Sprężone powietrze jest schładzane i przechowywane pod ciśnieniem 60-70 atmosfer. W przypadku konieczności wykorzystania zmagazynowanej energii, powietrze jest pobierane z akumulatora, podgrzewane, a następnie trafia do specjalnej turbiny gazowej, gdzie energia sprężonego i ogrzanego powietrza obraca stopnie turbiny, których wał połączony jest z elektrycznym generator wytwarzający energię elektryczną do systemu elektroenergetycznego.

Do magazynowania sprężonego powietrza proponuje się np. wykorzystanie odpowiednich wyrobisk górniczych lub specjalnie utworzonych podziemnych zbiorników w solnych skałach. Koncepcja nie jest nowa, magazynowanie sprężonego powietrza w podziemnej jaskini zostało opatentowane już w 1948 roku, a pierwsza instalacja do magazynowania energii na sprężone powietrze (CAES) o mocy 290 MW działa w elektrowni Huntorf w Niemczech od 1978 roku . Na etapie sprężania powietrza duża liczba energia jest tracona w postaci ciepła. Tę utraconą energię należy skompensować sprężonym powietrzem przed etapem rozprężania w turbinie gazowej, do której stosuje się paliwo węglowodorowe, za pomocą którego podnosi się temperaturę powietrza. Oznacza to, że instalacje są dalekie od 100% sprawności.

Istnieje obiecujący kierunek poprawy skuteczności CAES. Polega na zatrzymaniu i magazynowaniu ciepła wydzielanego podczas pracy sprężarki na etapie sprężania i schładzania powietrza, z późniejszym jego ponownym wykorzystaniem podczas dogrzewania zimnego powietrza (tzw. rekuperacja). Jednak ta wersja CAES ma znaczne trudności techniczne, zwłaszcza w kierunku stworzenia systemu długoterminowego magazynowania ciepła. Jeśli te problemy zostaną rozwiązane, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) może utorować drogę wielkoskalowym systemom magazynowania energii, co zostało poruszone przez naukowców z całego świata.

Uczestnicy kanadyjskiego startupu Hydrostor zaproponowali inny nietypowa decyzja- pompować energię do podwodnych bąbelków.

Magazynowanie energii cieplnej

W naszych warunkach klimatycznych bardzo znacząca (często główna) część zużywanej energii jest przeznaczana na ogrzewanie. Dlatego bardzo wygodne byłoby gromadzenie ciepła bezpośrednio w zasobniku, a następnie odbieranie go z powrotem. Niestety w większości przypadków gęstość zmagazynowanej energii jest bardzo mała, a czas jej zachowania bardzo ograniczony.

Istnieć akumulatory termiczne ze stałym lub zużywalnym materiałem akumulującym ciepło; płyn; para; termochemiczne; z grzałką elektryczną. Akumulatory ciepła można podłączyć do instalacji z kotłem na paliwo stałe, do instalacji solarnej lub do instalacji kombinowanej.

Magazynowanie energii dzięki pojemności cieplnej

W akumulatorach tego typu ciepło jest akumulowane ze względu na pojemność cieplną substancji pełniącej funkcję czynnika roboczego. Klasycznym przykładem akumulatora ciepła jest rosyjski piec. Ogrzewana była raz dziennie, a następnie ogrzewała dom w ciągu dnia. W dzisiejszych czasach akumulator ciepła to najczęściej zbiorniki akumulacyjne gorąca woda wyłożone materiałem o wysokich właściwościach termoizolacyjnych.

Istnieją również akumulatory ciepła oparte na stałych nośnikach ciepła, na przykład w cegle ceramicznej.

Różne substancje mają różne pojemności cieplne. Dla większości mieści się w zakresie od 0,1 do 2 kJ/(kg K). Woda ma wyjątkowo dużą pojemność cieplną - jej pojemność cieplna w fazie ciekłej wynosi około 4,2 kJ/(kg K). Tylko bardzo egzotyczny lit ma większą pojemność cieplną - 4,4 kJ/(kg·K).

Jednak oprócz ciepła właściwego (masowego) należy również wziąć pod uwagę pojemność cieplną objętościową, co pozwala określić, ile ciepła potrzeba, aby zmienić temperaturę tej samej objętości różnych substancji o tę samą wartość . Oblicza się go na podstawie zwykłej pojemności cieplnej właściwej (masowej), mnożąc ją przez gęstość właściwą odpowiedniej substancji. Objętościową pojemnością cieplną należy kierować się, gdy objętość akumulatora ciepła jest ważniejsza niż jego waga.

Na przykład ciepło właściwe stali wynosi tylko 0,46 kJ / (kg K), ale gęstość wynosi 7800 kg / m3, a, powiedzmy, dla polipropylenu - 1,9 kJ / (kg K) - ponad 4 razy więcej, ale jego gęstość wynosi zaledwie 900 kg/m3. Dlatego przy tej samej objętości stal będzie w stanie zmagazynować 2,1 razy więcej ciepła niż polipropylen, chociaż będzie prawie 9 razy cięższa. Jednak ze względu na anomalnie wysoką pojemność cieplną wody żaden materiał nie może jej przewyższyć pod względem objętościowej pojemności cieplnej. Jednak pojemność cieplna objętościowa żelaza i jego stopów (stal, żeliwo) różni się od wody o mniej niż 20% - w jednym metrze sześciennym mogą zmagazynować ponad 3,5 MJ ciepła na każdy stopień zmiany temperatury, pojemność cieplna objętościowa miedzi jest nieco mniej - 3,48 MJ/(m sześc. K). Pojemność cieplna powietrza w normalne warunki wynosi około 1 kJ/kg, czyli 1,3 kJ/m3, zatem aby ogrzać metr sześcienny powietrza o 1° wystarczy schłodzić nieco mniej niż 1/3 litra wody o ten sam stopień (oczywiście , gorętszy od powietrza).

Ze względu na prostotę urządzenia (co może być prostsze niż nieruchoma bryła czy zamknięty zbiornik z płynnym nośnikiem ciepła?), takie magazyny energii mają niemal nieograniczoną liczbę cykli magazynowania-powrotu energii i bardzo długą żywotność - dla ciekłych nośników ciepła do czasu wyschnięcia cieczy lub uszkodzenia zbiornika w wyniku korozji lub innych przyczyn, dla ciał stałych nie ma takich ograniczeń. Ale czas magazynowania jest bardzo ograniczony i z reguły waha się od kilku godzin do kilku dni - przez dłuższy okres konwencjonalna izolacja termiczna nie jest już w stanie zatrzymać ciepła, a gęstość zmagazynowanej energii jest niska.

Na koniec należy podkreślić jeszcze jedną okoliczność - dla sprawnej pracy ważna jest nie tylko pojemność cieplna, ale również przewodność cieplna substancji akumulatora ciepła. Przy dużej przewodności cieplnej, nawet na dość gwałtowne zmiany warunków zewnętrznych, akumulator ciepła będzie reagował całą swoją masą, a więc całą zmagazynowaną energią - czyli tak efektywnie, jak to tylko możliwe.

W przypadku słabej przewodności cieplnej tylko część powierzchniowa akumulatora ciepła będzie miała czas na reakcję, a krótkotrwałe zmiany warunków zewnętrznych po prostu nie będą miały czasu na dotarcie do głębokich warstw, a znaczna część substancji takich akumulator ciepła zostanie faktycznie wyłączony z pracy.

Polipropylen, o którym mowa w przykładzie omówionym powyżej, ma przewodność cieplną prawie 200 razy mniejszą niż stal, a zatem mimo dość dużej pojemności cieplnej właściwej nie może być efektywnym akumulatorem ciepła. Jednak technicznie problem można łatwo rozwiązać, organizując specjalne kanały do ​​cyrkulacji chłodziwa wewnątrz akumulatora ciepła, ale oczywiste jest, że takie rozwiązanie znacznie komplikuje konstrukcję, zmniejsza jej niezawodność i energochłonność oraz z pewnością będzie wymagało okresowej konserwacji , co nie jest konieczne dla monolitycznego kawałka materii.

Choć może się to wydawać dziwne, czasami konieczne jest gromadzenie i magazynowanie nie ciepła, ale zimna. Firmy w USA od ponad dekady oferują „akumulatory” na bazie lodu do montażu w klimatyzatorach. W nocy, gdy energii elektrycznej jest pod dostatkiem i jest ona sprzedawana po obniżonych stawkach, klimatyzator zamraża wodę, czyli przechodzi w tryb chłodzenia. W ciągu dnia zużywa kilkakrotnie mniej energii, pracując jako wentylator. Energiożerna sprężarka jest na ten czas wyłączona. .

Akumulacja energii podczas zmiany stanu fazowego materii

Jeśli przyjrzysz się uważnie parametry termiczne różnych substancji można zauważyć, że przy zmianie stanu skupienia (topienie-utwardzanie, odparowanie-kondensacja) następuje znaczne pochłanianie lub uwalnianie energii. W przypadku większości substancji energia cieplna takich przemian jest wystarczająca do zmiany temperatury tej samej ilości tej samej substancji o wiele dziesiątek, a nawet setek stopni w tych zakresach temperatur, w których nie zmienia się jej stan skupienia. Ale, jak wiadomo, dopóki stan skupienia całej objętości substancji nie stanie się taki sam, jej temperatura jest prawie stała! Dlatego bardzo kuszące byłoby akumulowanie energii poprzez zmianę stanu skupienia – energii jest dużo, a temperatura zmienia się niewiele, więc w efekcie nie trzeba byłoby rozwiązywać problemów związanych z nagrzewaniem się do wysokie temperatury, a jednocześnie można uzyskać dobrą pojemność takiego akumulatora ciepła.

Topienie i krystalizacja

Niestety obecnie praktycznie nie ma tanich, bezpiecznych i odpornych na rozkład substancji o dużej energii przemiany fazowej, których temperatura topnienia mieściłaby się w najbardziej odpowiednim zakresie - w przybliżeniu od +20°C do +50°С (maksymalna +70°С - to wciąż względnie bezpieczna i łatwo osiągalna temperatura). Z reguły w tym zakresie temperatur topią się złożone związki organiczne, które w żadnym wypadku nie są korzystne dla zdrowia i często szybko utleniają się w powietrzu.

Być może najbardziej odpowiednimi substancjami są parafiny, których temperatura topnienia większości w zależności od odmiany mieści się w przedziale 40..65°C (choć zdarzają się również parafiny „płynne” o temperaturze topnienia 27°C lub mniej, a także naturalny ozokeryt spokrewniony z parafinami, którego temperatura topnienia mieści się w zakresie 58..100°C). Zarówno parafiny, jak i ozokeryt są dość bezpieczne i są również wykorzystywane do celów medycznych do bezpośredniego ogrzewania obolałych miejsc na ciele.

Jednak przy dobrej pojemności cieplnej ich przewodność cieplna jest bardzo mała – tak mała, że ​​parafina lub ozokeryt nałożone na ciało, podgrzane do 50-60°C, daje odczucie jedynie przyjemnego gorąca, ale nie poparzenia, jak przy wodzie ogrzanej do ta sama temperatura - dla medycyny jest to dobre, ale dla akumulatora ciepła jest to absolutny minus. W dodatku substancje te nie są takie tanie, np. hurtowa cena ozokerytu we wrześniu 2009 roku wynosiła około 200 rubli za kilogram, a kilogram parafiny kosztował od 25 rubli (techniczna) do 50 i więcej (żywność wysoko oczyszczona, tj. nadaje się do pakowania żywności). Są to ceny hurtowe za partie kilkutonowe, ceny detaliczne są co najmniej półtora raza droższe.

W rezultacie, ekonomiczna efektywność parafinowego akumulatora ciepła okazuje się dużym pytaniem, ponieważ kilogram lub dwa parafiny lub ozokerytu wystarczają tylko na kilkudziesięciominutowe medyczne rozgrzanie złamanego odcinka lędźwiowego kręgosłupa, a aby zapewnić stabilną temperaturę mniej lub bardziej przestronnego mieszkania przez co najmniej dobę, należy odmierzyć masę parafinowego akumulatora ciepła w tonach, tak aby jego koszt od razu zbliżył się do kosztu samochodu (choć w niższym segmencie cenowym) !

Tak, a temperatura przemiany fazowej, idealnie, powinna nadal dokładnie odpowiadać komfortowemu zakresowi (20..25 ° C) - w przeciwnym razie nadal musisz zorganizować jakiś system kontroli wymiany ciepła. Niemniej jednak temperatura topnienia rzędu 50..54°C, typowa dla wysokooczyszczonych parafin, w połączeniu z dużym ciepłem przemiany fazowej (nieco ponad 200 kJ/kg) bardzo dobrze nadaje się do akumulatora ciepła przeznaczonego do zapewnić zaopatrzenie w ciepłą wodę i podgrzewanie wody, Jedynym problemem jest niska przewodność cieplna i wysoka cena parafina.

Ale w przypadku działania siły wyższej sama parafina może być użyta jako paliwo o dobrej kaloryczności (choć nie jest to takie proste - w przeciwieństwie do benzyny czy nafty parafina płynna, a tym bardziej stała nie pali się w powietrzu, knot lub inne urządzenie doprowadzające do strefy spalania nie samą parafinę, a jedynie jej opary)!

Przykładem urządzenia do magazynowania energii cieplnej opartego na efekcie topnienia i krystalizacji jest oparty na krzemie system magazynowania energii cieplnej TESS, który został opracowany przez australijską firmę Latent Heat Storage.

Parowanie i kondensacja

Ciepło parowania-kondensacji z reguły jest kilkakrotnie wyższe niż ciepło topnienia-krystalizacji. I wydaje się, że substancji parujących w odpowiednim zakresie temperatur nie jest tak mało. Oprócz szczerze trującego dwusiarczku węgla, acetonu, eteru etylowego itp., istnieje również alkohol etylowy (jego względne bezpieczeństwo jest codziennie sprawdzane na osobisty przykład milionów alkoholików na całym świecie!). W normalnych warunkach alkohol wrze w temperaturze 78°С, a jego ciepło parowania jest 2,5 razy większe niż ciepło topnienia wody (lód) i jest równoważne podgrzaniu tej samej ilości ciekłej wody o 200°.

Jednak w przeciwieństwie do topnienia, kiedy zmiany objętości substancji rzadko przekraczają kilka procent, podczas parowania para zajmuje całą dostarczoną jej objętość. A jeśli ta objętość jest nieograniczona, para wyparuje, nieodwołalnie zabierając ze sobą całą zgromadzoną energię. W zamkniętej objętości ciśnienie natychmiast zacznie rosnąć, uniemożliwiając odparowywanie nowych porcji płynu roboczego, jak to ma miejsce w najzwyklejszym szybkowarze, więc tylko niewielki procent substancji roboczej ulega zmianie stanu skupienia. agregacja, podczas gdy reszta nadal się nagrzewa, będąc w fazie ciekłej. Otwiera to duże pole działania dla wynalazców - stworzenie wydajnego akumulatora ciepła opartego na parowaniu i skraplaniu o hermetycznej zmiennej objętości roboczej.

Przemiany fazowe drugiego rodzaju

Oprócz przejść fazowych związanych ze zmianą stanu skupienia, niektóre substancje mogą mieć kilka różnych stanów fazowych w obrębie tego samego stanu skupienia. Zmianie takich stanów fazowych z reguły towarzyszy również zauważalne uwolnienie lub pochłonięcie energii, choć zwykle znacznie mniej znaczące niż przy zmianie stanu skupienia substancji. Ponadto w wielu przypadkach przy takich zmianach, w przeciwieństwie do zmiany stanu skupienia, występuje histereza temperaturowa – temperatury bezpośrednich i odwrotnych przemian fazowych mogą różnić się znacznie, czasem o dziesiątki, a nawet setki stopni.

Magazynowanie energii elektrycznej

Energia elektryczna jest najwygodniejszą i najbardziej wszechstronną formą energii nowoczesny świat. Nic dziwnego, przechowywanie energia elektryczna rozwijać się najszybciej. Niestety, w większości przypadków pojemność właściwa niedrogich urządzeń jest niewielka, a urządzenia o dużej pojemności właściwej są nadal zbyt drogie, aby magazynować duże ilości energii do masowego użytku i są bardzo krótkotrwałe.

Kondensatory

Najbardziej masywnymi „elektrycznymi” urządzeniami do magazynowania energii są konwencjonalne kondensatory radiowe. Mają ogromną szybkość akumulacji i uwalniania energii - z reguły od kilku tysięcy do wielu miliardów pełnych cykli na sekundę i są w stanie działać w ten sposób w szerokim zakresie temperatur przez wiele lat, a nawet dziesięcioleci. Łącząc kilka kondensatorów równolegle, możesz łatwo zwiększyć ich całkowitą pojemność do pożądanej wartości.

Kondensatory można podzielić na dwie duże klasy – niepolarne (zwykle „suche”, czyli niezawierające ciekłego elektrolitu) i polarne (zwykle elektrolityczne). Zastosowanie ciekłego elektrolitu zapewnia znacznie wyższą pojemność właściwą, ale prawie zawsze wymaga przestrzegania biegunowości podczas podłączania. Ponadto kondensatory elektrolityczne są często bardziej wrażliwe na warunki zewnętrzne, przede wszystkim na temperaturę, oraz mają krótszą żywotność (z czasem elektrolit odparowuje i wysycha).

Kondensatory mają jednak dwie główne wady. Po pierwsze, jest to bardzo mała gęstość właściwa zmagazynowanej energii, a co za tym idzie niewielka (w stosunku do innych typów urządzeń magazynujących) pojemność. Po drugie, jest to krótki czas przechowywania, który zwykle liczony jest w minutach i sekundach i rzadko przekracza kilka godzin, aw niektórych przypadkach to tylko małe ułamki sekundy. W rezultacie zakres kondensatorów ogranicza się do różnych układów elektronicznych i krótkotrwałej akumulacji wystarczającej do prostowania, korekcji i filtrowania prądu w elektroenergetyce - na więcej to wciąż za mało.

jonizatory

Kondensatory, czasami określane jako „superkondensatory”, można traktować jako rodzaj ogniwa pośredniego między kondensatorami elektrolitycznymi a bateriami elektrochemicznymi. Po tych pierwszych odziedziczyli niemal nieograniczoną liczbę cykli ładowania-rozładowania, a po drugich stosunkowo niskie prądy ładowania i rozładowania (pełny cykl ładowania-rozładowania może trwać sekundę, a nawet znacznie dłużej). Ich pojemność również mieści się w przedziale pomiędzy najbardziej pojemnymi kondensatorami a małymi bateriami - zazwyczaj rezerwa energii wynosi od kilku do kilkuset dżuli.

Dodatkowo należy zwrócić uwagę na dość dużą wrażliwość jonizatorów na temperaturę oraz ograniczony czas przechowywania ładunku - od kilku godzin do maksymalnie kilku tygodni.

Baterie elektrochemiczne

Baterie elektrochemiczne zostały wynalezione u zarania rozwoju elektrotechniki, a teraz można je znaleźć wszędzie - od telefonu komórkowego po samoloty i statki. Ogólnie rzecz biorąc, działają one w oparciu o pewne reakcje chemiczne i dlatego można je przypisać do kolejnej części naszego artykułu - „Chemiczne magazynowanie energii”. Ale ponieważ ten punkt zwykle nie jest podkreślany, ale zwraca się uwagę na fakt, że baterie gromadzą energię elektryczną, rozważymy je tutaj.

Z reguły, jeśli konieczne jest zmagazynowanie odpowiednio dużej energii - od kilkuset kilodżuli lub więcej - stosuje się akumulatory kwasowo-ołowiowe (przykładem jest dowolny samochód). Mają jednak niemałe gabaryty i, co najważniejsze, wagę. Jeśli wymagana jest niewielka waga i mobilność urządzenia, stosuje się bardziej nowoczesne typy akumulatorów - niklowo-kadmowe, metalowo-wodorkowe, litowo-jonowe, polimerowo-jonowe itp. Mają one znacznie większą pojemność właściwą, jednak specyficzna koszt magazynowania w nich energii jest znacznie wyższy, więc ich zastosowanie ogranicza się zazwyczaj do stosunkowo niewielkich i ekonomicznych urządzeń, takich jak telefony komórkowe, aparaty i kamery, laptopy itp.

Ostatnio w samochodach hybrydowych i pojazdach elektrycznych zaczęto stosować wydajne akumulatory litowo-jonowe. Oprócz mniejszej wagi i większej pojemności właściwej, w przeciwieństwie do kwasowo-ołowiowych, pozwalają na niemal pełne wykorzystanie ich nominalnej pojemności, są uważane za bardziej niezawodne i mają dłuższą żywotność, a ich efektywność energetyczna w pełnym cyklu przekracza 90%, natomiast efektywność energetyczna akumulatorów ołowiowych podczas ładowania ostatnich 20% pojemności może spaść do 50%.

Zgodnie ze sposobem użytkowania akumulatory elektrochemiczne (głównie mocne) są również podzielone na dwie duże klasy - tak zwane trakcyjne i rozruchowe. Zwykle akumulator rozruchowy może z powodzeniem działać jako akumulator trakcyjny (najważniejsze jest kontrolowanie stopnia rozładowania i nie doprowadzanie go do takiej głębokości, która jest akceptowalna dla akumulatorów trakcyjnych), ale przy zastosowaniu na odwrót zbyt duży prąd obciążenia może bardzo szybko wyłączyć akumulator trakcyjny.

Wady akumulatorów elektrochemicznych obejmują bardzo ograniczoną liczbę cykli ładowania-rozładowania (w większości przypadków od 250 do 2000, a jeśli nie przestrzega się zaleceń producentów, znacznie mniej), a nawet przy braku aktywnego użytkowania większość typów akumulatorów ulegają degradacji po kilku latach, tracąc swoje właściwości konsumpcyjne.

Jednocześnie żywotność wielu rodzajów akumulatorów nie trwa od początku ich eksploatacji, ale od momentu wyprodukowania. Ponadto akumulatory elektrochemiczne charakteryzują się wrażliwością na temperaturę, długim czasem ładowania, czasem kilkadziesiąt razy dłuższym niż czas rozładowania oraz koniecznością przestrzegania metodologii użytkowania (unikanie głębokiego rozładowania akumulatorów ołowiowych i odwrotnie przestrzeganie pełnego naładowania -cykl rozładowania dla wodorków metali i wielu innych rodzajów akumulatorów). Czas przechowywania wsadu jest również dość ograniczony - zwykle od tygodnia do roku. W przypadku starych akumulatorów zmniejsza się nie tylko pojemność, ale także czas przechowywania, który można wielokrotnie skrócić.

Prace nad tworzeniem nowych rodzajów baterii elektrycznych i ulepszaniem istniejących urządzeń nie ustają.

Magazynowanie energii chemicznej

Energia chemiczna to energia „magazynowana” w atomach substancji, która jest uwalniana lub absorbowana podczas reakcji chemicznych między substancjami. Energia chemiczna jest albo uwalniana w postaci energii cieplnej podczas reakcji egzotermicznych (na przykład spalania paliwa), albo jest przekształcana w energię elektryczną w ogniwach i bateriach galwanicznych. Te źródła energii charakteryzują się wysoką sprawnością (do 98%), ale niską wydajnością.

Chemiczne urządzenia do magazynowania energii pozwalają odbierać energię zarówno w postaci, z jakiej była magazynowana, jak iw dowolnej innej. Istnieją odmiany „paliwowe” i „niepaliwowe”. W przeciwieństwie do niskotemperaturowych akumulatorów termochemicznych (porozmawiamy o nich nieco później), które mogą magazynować energię po prostu umieszczając je w dość ciepłym miejscu, nie można się tu obejść bez specjalnych technologii i zaawansowanego technologicznie sprzętu, czasem bardzo nieporęcznego. W szczególności, o ile w przypadku niskotemperaturowych reakcji termochemicznych mieszanina reagentów zwykle nie jest rozdzielana i zawsze znajduje się w tym samym pojemniku, o tyle reagenty w reakcjach wysokotemperaturowych są przechowywane oddzielnie od siebie i łączone tylko wtedy, gdy energia potrzebne.

Akumulacja energii poprzez spalanie paliwa

Podczas etapu magazynowania energii zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której następuje redukcja paliwa, np. z wody uwalniany jest wodór – poprzez bezpośrednią elektrolizę, w ogniwach elektrochemicznych z wykorzystaniem katalizatora lub rozkład termiczny, np. łuk elektryczny lub silnie skoncentrowane światło słoneczne. „Uwolniony” utleniacz można zebrać osobno (w przypadku tlenu jest to konieczne w zamkniętym izolowanym obiekcie - pod wodą lub w kosmosie) lub „wyrzucić” jako niepotrzebny, ponieważ w momencie zużycia paliwa ten utleniacz będzie wystarczający w środowiska i nie ma potrzeby marnowania miejsca i środków na jej zorganizowane przechowywanie.

Na etapie pozyskiwania energii produkowane paliwo jest utleniane z wydzieleniem energii bezpośrednio w pożądanej postaci, niezależnie od tego, w jaki sposób to paliwo zostało pozyskane. Na przykład wodór może natychmiast dostarczać ciepło (po spaleniu w palniku), energię mechaniczną (gdy jest podawany jako paliwo do silnika spalinowego lub turbiny) lub energię elektryczną (po utlenieniu w ogniwie paliwowym). Z reguły takie reakcje utleniania wymagają dodatkowej inicjacji (zapłonu), co jest bardzo wygodne do kontrolowania procesu pozyskiwania energii.

Metoda ta jest bardzo atrakcyjna ze względu na niezależność etapów akumulacji energii („ładowania”) i jej wykorzystania („rozładowania”), dużą pojemność właściwą energii zmagazynowanej w paliwie (dziesiątki megadżuli na kilogram paliwa) oraz możliwość długotrwałego przechowywania (przy odpowiedniej szczelności pojemników - przez wiele lat). Jednak jego szeroką dystrybucję utrudnia niepełny rozwój i wysoki koszt technologii, duże zagrożenie pożarowe i wybuchowe na wszystkich etapach pracy z tym paliwem, a co za tym idzie zapotrzebowanie na wysoko wykwalifikowany personel do obsługi i eksploatacji te systemy. Pomimo tych niedociągnięć na całym świecie powstają różne instalacje wykorzystujące wodór jako zapasowe źródło energii.

Magazynowanie energii w reakcjach termochemicznych

Od dawna znana jest duża grupa reakcji chemicznych, które w naczyniu zamkniętym po podgrzaniu przebiegają w jednym kierunku z pochłanianiem energii, a po schłodzeniu w przeciwnym kierunku z wydzielaniem energii. Takie reakcje są często nazywane termochemicznymi. Efektywności energetycznej takie reakcje są z reguły mniejsze niż wtedy, gdy zmienia się stan skupienia substancji, ale jest to również bardzo zauważalne.

Takie reakcje termochemiczne można uznać za rodzaj zmiany stanu fazowego mieszaniny reagentów, a problemy są tutaj w przybliżeniu takie same - trudno znaleźć tanią, bezpieczną i skuteczną mieszaninę substancji, która z powodzeniem działa w ten sposób w zakresie temperatur od +20°C do +70°C. Jednak od dawna znany jest jeden podobny skład - jest to sól Glaubera.

Mirabilit (inaczej sól Glaubera, inaczej siarczan sodu Na2SO4 · 10H2O dekahydrat) otrzymuje się w wyniku elementarnych reakcji chemicznych (np. dodanie chlorku sodu do kwasu siarkowego) lub wydobywa się w „gotowej postaci” jako minerał.

Jeśli chodzi o magazynowanie ciepła, jak najbardziej ciekawa funkcja mirabilit polega na tym, że gdy temperatura wzrasta powyżej 32°C, zaczyna uwalniać się związana woda, a na zewnątrz wygląda to jak „topienie” kryształów, które rozpuszczają się w uwalnianej z nich wodzie. Gdy temperatura spadnie do 32°C, wolna woda ponownie wiąże się z krystaliczną strukturą hydratu – następuje „krystalizacja”. Ale co najważniejsze ciepło tej reakcji hydratacji-odwadniania jest bardzo wysokie i wynosi 251 kJ/kg, czyli zauważalnie więcej niż ciepło „uczciwej” topnienia-krystalizacji parafin, choć o jedną trzecią mniej niż ciepło topnienia lodu (woda).

Tym samym akumulator ciepła oparty na nasyconym roztworze mirabilitu (nasyconego już w temperaturach powyżej 32°C) może skutecznie utrzymywać temperaturę na poziomie 32°C przy długim zasobie akumulacji lub zwrotu energii. Oczywiście jest to temperatura zbyt niska dla pełnoprawnego zaopatrzenia w ciepłą wodę (prysznic o takiej temperaturze odbierany jest co najwyżej jako „bardzo chłodny”), ale taka temperatura może wystarczyć do ogrzania powietrza.

Bezpaliwowe magazynowanie energii chemicznej

W tym przypadku na etapie „ładowania” niektóre chemikalia tworzą inne, a podczas tego procesu energia jest magazynowana w utworzonych nowych wiązaniach chemicznych (na przykład wapno gaszone jest przenoszone do stanu wapna palonego przez ogrzewanie).

Przy „rozładowaniu” zachodzi reakcja odwrotna, której towarzyszy uwolnienie zmagazynowanej wcześniej energii (zwykle w postaci ciepła, czasem dodatkowo w postaci gazu, który można podać do turbiny) – w szczególności tak właśnie się dzieje gdy wapno „gaśnie” wodą. W przeciwieństwie do metod paliwowych, aby rozpocząć reakcję, zwykle wystarczy po prostu połączyć ze sobą reagenty – nie jest wymagane dodatkowe zainicjowanie procesu (zapłon).

W rzeczywistości jest to rodzaj reakcji termochemicznej, jednak w przeciwieństwie do reakcji niskotemperaturowych opisywanych przy rozważaniu urządzeń do magazynowania energii cieplnej i niewymagających specjalnych warunków, tutaj mówimy o temperaturach rzędu wielu setek, a nawet tysięcy stopni. W rezultacie ilość energii zmagazynowanej w każdym kilogramie substancji roboczej znacznie wzrasta, ale sprzęt jest wielokrotnie bardziej złożony, masywny i droższy niż pusty. plastikowe butelki lub prosty zbiornik odczynnika.

Konieczność spożycia dodatkowej substancji - np. wody do wapna gaszonego - nie jest istotną wadą (w razie potrzeby można zebrać wodę, która wydziela się, gdy wapno przechodzi w stan wapna palonego). Ale specjalne warunki przechowywania tego bardzo palonego wapna, którego naruszenie jest obarczone nie tylko oparzenia chemiczne, ale także z eksplozją, przenieś tę i podobne metody do kategorii tych, które raczej nie wyjdą w szerokim życiu.

Inne rodzaje magazynowania energii

Oprócz tych opisanych powyżej istnieją inne rodzaje urządzeń do magazynowania energii. Jednak obecnie są one bardzo ograniczone pod względem gęstości zmagazynowanej energii i czasu jej magazynowania przy wysokim koszcie jednostkowym. Dlatego podczas gdy są one bardziej wykorzystywane do rozrywki, a ich działanie do jakichkolwiek poważnych celów nie jest brane pod uwagę. Przykładem są farby fosforyzujące, które magazynują energię z jasnego źródła światła, a następnie świecą przez kilka sekund, a nawet długie minuty. Ich nowoczesne modyfikacje przez długi czas nie zawierają trującego fosforu i są dość bezpieczne nawet do stosowania w zabawkach dla dzieci.

Nadprzewodnikowe magazyny energii magnetycznej przechowują ją w polu dużej cewki magnetycznej z prądem stałym. W razie potrzeby można go przekształcić w zmienny prąd elektryczny. Niskotemperaturowe zbiorniki magazynowe chłodzone są ciekłym helem i są dostępne dla zakładów przemysłowych. Wysokotemperaturowe zbiorniki magazynowe chłodzone ciekłym wodorem są nadal w fazie rozwoju i mogą stać się dostępne w przyszłości.

Nadprzewodzące urządzenia do magazynowania energii magnetycznej mają znaczne rozmiary i są zwykle używane przez krótkie okresy czasu, na przykład podczas przełączania. opublikowany

Ałtajski Państwowy Uniwersytet Techniczny

ich. I. I. Polzunova

Wydział korespondencyjny

dyscyplina Nietradycyjne źródła energii.

Temat: Magazynowanie ciepła

Sprawdzone przez: V.V. Czertiszczew

Barnauł 2007

Wstęp

Rozdział 1. Fizyczne podstawy tworzenia akumulatora ciepła

Rozdział 2. Ciekłe akumulatory termiczne

Rozdział 3. Akumulatory ciepła ze stałym materiałem akumulującym ciepło.

Rozdział 4. Akumulatory ciepła oparte na przemianach fazowych.

Rozdział 5. Budowa przejścia fazowego TA.

Wstęp

Obecnie na całym świecie istnieje powszechna oszczędność surowców. Naukowcy z wielu krajów próbują rozwiązać ten problem. różne metody w tym poprzez wykorzystanie alternatywnych źródeł energii. Należą do nich takie rodzaje, jak wykorzystanie zasobów wodnych małych rzek, fal morskich, gejzerów, a nawet odpadów przemysłowych i domowych.

Istnieje jednak problem zachowania otrzymanej energii. Na przykład energia cieplna uzyskana w instalacji słonecznej do podgrzewania wody może być magazynowana w akumulatorze ciepła i wykorzystywana w nocy.

Akumulatory termiczne są znane ludzkości od czasów starożytnych. To gorący popiół, w którym nasi przodkowie zakopywali jedzenie do obróbki cieplnej, oraz gorące kamienie, które były podgrzewane w ogniu. Żelazko, które jest podgrzewane nad ogniem, a następnie prasowane nim, jest akumulatorem ciepła. Akumulatorem ciepła są również gorące kamienie, które zalewamy wodą (kwasem, piwem) w łaźniach parowych. Lokówki termiczne, które gotuje się w wodzie, a następnie za ich pomocą powstają włosy, są również akumulatorami ciepła, i to całkiem idealnymi, opartymi na akumulacji przez topienie.

Tak więc każde ciało nagrzało się powyżej temperatury środowisko, można uznać za akumulator ciepła. To ciało jest zdolne do wykonywania pracy poprzez chłodzenie, a zatem ma energię.

Rozdział 1. Fizyczne podstawy tworzenia akumulatora ciepła

Akumulator ciepła to urządzenie (lub zespół urządzeń), które zapewnia odwracalne procesy gromadzenia, magazynowania i wytwarzania energii cieplnej zgodnie z wymaganiami odbiorcy.

Procesy akumulacji ciepła zachodzą poprzez zmianę parametrów fizycznych materiału magazynującego ciepło oraz wykorzystanie energii wiązania atomów i cząsteczek substancji.

Opierając się na pierwszej zasadzie termodynamiki dla układu otwartego o stałym składzie chemicznym, właściwości akumulatorów ciepła zależą od zmian masy, objętości , ciśnienie, entalpię i energię wewnętrzną materiału, a także różne ich kombinacje.

W zależności od realizacji technicznej stosuje się bezpośrednie magazynowanie ciepła, gdy materiałem akumulacyjnym jest jednocześnie chłodziwo, stosuje się pośrednie magazynowanie ciepła z różnymi nośnikami ciepła i nośnikami ciepła oraz różnymi rodzajami symbiozy tych przypadków.

Zmiana entalpii materiału magazynującego ciepło (TAM) może nastąpić zarówno ze zmianą jego temperatury, jak i bez niej - w procesie przemian fazowych (na przykład ciało stałe - ciało stałe, ciało stałe - ciecz, ciecz - para).

Akumulatory termiczne realizują z reguły kilka elementarnych procesów.

Na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki możliwe jest wdrożenie niemal każdej znanej zasady akumulacji ciepła. O celowości zastosowania każdej zasady decyduje obecność pozytywnego efektu, przede wszystkim ekonomicznego, który można osiągnąć przy minimalnym koszcie baterii. Jest ona określana, ceteris paribus, przez masę i objętość materiału akumulującego ciepło niezbędne do zapewnienia określonych parametrów procesu.

W rzeczywistym procesie akumulacji ciepła gęstość zmagazynowanej energii okazuje się znacznie mniejsza od wartości teoretycznej ze względu na straty ciepła, wyrównanie pola temperatur oraz straty podczas ładowania i rozładowywania. Stosunek rzeczywistych i teoretycznych wartości gęstości zmagazynowanej energii określa sprawność akumulatora ciepła.

Jeden z kluczowe wskaźniki decydującym o możliwości i wykonalności magazynowania ciepła jest zdolność do uwalniania energii w ilościach wymaganych przez odbiorcę. Dzięki bezpośredniemu magazynowaniu ciepła jest to prawie zawsze osiągane. Wydajność takich akumulatorów jest słabo zależna od generowanej mocy, która jest determinowana zużyciem TAM i jest ograniczona jedynie wymaganiami konstrukcyjnymi i wytrzymałościowymi.

Przy magazynowaniu pośrednim wzrost generowanej mocy zwiększa gradient temperatury i TAM, co prowadzi albo do zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, albo do niepełnego wykorzystania rezerwy ciepła. W każdym razie zmniejsza to efektywność akumulacji.

Rozdział 2. Ciekłe akumulatory termiczne

Do najprostszych i najbardziej niezawodnych urządzeń do magazynowania ciepła należą oczywiście ciekły HE, co wiąże się z połączeniem funkcji magazynującego ciepło materiału chłodzącego. W rezultacie akumulatory tego typu są szczególnie szeroko stosowane do celów domowych, w obwodach różnych elektrowni (elektrowni jądrowych, elektrowni cieplnych, słonecznych itp.). Obecnie stosuje się kilka podstawowych konstrukcji ciekłego HE. Dwukadłubowy HE charakteryzuje się oddzielnym magazynowaniem HAM na ciepło i na zimno. Podczas procesu ładowania jedna skrzynka jest napełniana gorącym TAM, a druga jest opróżniana. Podczas pracy gorąca SZYNKA jest dostarczana do konsumenta i po przepracowaniu wchodzi do zimnego korpusu SZYNKI. Główną zaletą takiej konstrukcji HE jest izotermiczny charakter każdej z obudów, a co za tym idzie brak naprężeń termicznych i strat w nich energii na ogrzewanie - chłodzenie. Oczywiste jest również, że kubatura budynków jest wykorzystywana irracjonalnie i jest prawie dwukrotnie większa niż kubatura TAM. Takie podstawowe rozwiązanie jest celowe w przypadku dużej różnicy temperatur między ciepłem a zimnem

zimny TAM, szczególnie w przypadkach, gdy stosuje się solankę TAM i ciekłe metale.

Ryż. 2. Główne typy ciekłych akumulatorów ciepła (linie są pokazane w trybie rozładowania): A- dwuobwodowy; b - wielokadłubowy; c - przemieszczanie; Z- z płynną temperaturą TAM; 1 - gorąco TAM; 2 - zimny TAM; 3– konsument; 4 - jedno ciało; 5 - poziom cieczy; 6 - pośredni płyn chłodzący.

W celu bardziej racjonalnego wykorzystania objętości baterii proponuje się wersję multi-case, która wykorzystuje kilka skrzynek z gorącym TAM-em i jedną pustą (zimną). W miarę postępu wyładowania to ciało jest najpierw napełniane, a następnie uwalniane gorące, gdy są opróżniane. Prowadzi to do pojawienia się naprężeń termicznych i strat ciepła we wszystkich przypadkach, z wyjątkiem jednego.

Objętość akumulatora ciepła jest najbardziej racjonalnie wykorzystana w przypadku zastosowania pojedynczej obudowy wypełnionej na początku procesu gorącą HAM.

Podczas pracy gorąca HAM jest pobierana z górnej części HE, a zimna HAM jest podawana do dolnej części HE. Ten typ akumulatora cieczy nazywany jest akumulatorem wypornościowym. Ze względu na różnicę gęstości cieczy gorących i zimnych można zapewnić niewielkie wymieszanie cieczy (efekt „termokliny”), efektywność wykorzystania wypierającego HE spada z powodu strat ciepła na mieszanie i przewodzenie ciepła między objętościami gorącej i SZYNKA na zimno, podgrzewanie łusek itp.

Akumulatory termiczne tego typu stosowane są do cieczy o dużym współczynniku rozszerzalności liniowej.

Na specjalne właściwości TAM lub niecelowość stosowania TAM jako chłodziwa przez konsumenta, stosuje się akumulatory ciepła o zmiennej temperaturze (ryc. 2, G ).

W takim przypadku pośredni wymiennik ciepła może być umieszczony zarówno w obudowie HE jak i poza nią. Podczas procesu ładowania TA jest podgrzewany za pomocą pośredniego czynnika chłodzącego lub energii elektrycznej, a podczas procesu chłodzenia ciepło jest usuwane w pośrednim wymienniku ciepła. Jednym z charakterystycznych przykładów takiego TA jest „staw słoneczny”, w którym dobór TAM jest niepożądany ze względu na zniszczenie odwrotnego gradientu zasolenia wody.

Konstrukcja ciekłego akumulatora termicznego jest w dużej mierze zdeterminowana właściwościami materiału magazynującego ciepło. Obecnie najczęściej stosuje się wodne i wodne roztwory soli, wysokotemperaturowe chłodziwa organiczne i krzemoorganiczne, stopione sole i metale.

W zakresie temperatur pracy 0...100 o C woda jest najlepszą cieczą HAM zarówno pod względem zestawu właściwości termofizycznych, jak i wskaźników ekonomicznych. Dalszy wzrost temperatury roboczej wody wiąże się ze znacznym wzrostem ciśnienia, co komplikuje konstrukcję kadłuba i zwiększa jego koszt. Aby zapewnić niskie ciśnienie robocze, TAM stosuje różne wysokotemperaturowe chłodziwa. Jednocześnie pojawiają się problemy w doborze materiałów konstrukcyjnych do akumulatora ciepła i całego systemu, zastosowaniu specjalnych urządzeń zapobiegających twardnieniu HAM we wszystkich trybach pracy, uszczelnieniu HH i wielu innych.

Ponadto zastosowanie najpowszechniejszego typu wyporności HE wiąże się z zestawem środków konstrukcyjnych i eksploatacyjnych zapewniających minimalne straty energii.

Akumulator ciepła to urządzenie przeznaczone do gromadzenia energii cieplnej w celu jej wykorzystania w domach, budynkach oraz produkcji przemysłowej.

Akumulator ciepła lub, jak to się czasem nazywa, zbiornik buforowy, to nic innego jak zwykła beczka (okrągła lub kwadratowa). Ale ta beczka nie jest prosta, ale magiczna.

Może zaoszczędzić pieniądze i tworzyć komfortowa temperatura w domu. Najprostsza modyfikacja akumulatora ciepła posiada dwa wyjścia na górze i dwa na dole. Co jeszcze może być łatwiejszego? Wielu słyszało o akumulatorze ciepła, ale nie wszyscy wiedzą, kiedy i jak go używać, jednocześnie oszczędzając na ogrzewaniu.

Kiedy opłaca się zainstalować akumulator ciepła:

Masz kocioł na paliwo stałe;

Ogrzewa Cię elektryczność;

Dodano kolektory słoneczne, aby pomóc w ogrzewaniu;

Istnieje możliwość wykorzystania ciepła z agregatów i maszyn.

Najczęstszym przypadkiem zastosowania akumulatora ciepła jest zastosowanie kotła na paliwo stałe jako źródła ciepła. Każdy, kto do ogrzewania domu używał kotła na paliwo stałe, wie, jaki komfort można osiągnąć dzięki takiemu systemowi grzewczemu. Zalany - rozebrany, wypalony - ubrany. Rano w domu z takim źródłem ciepła nie chce się wypełzać spod kołdry. Regulacja procesu spalania w kotle na paliwo stałe jest bardzo trudna, konieczne jest grzanie zarówno do +10C jak i do -40C. Spalanie i ilość wytwarzanego ciepła będą takie same, tylko to ciepło jest potrzebne na zupełnie inne sposoby. Co robić? O jakiej wydajności możemy mówić, gdy trzeba otwierać okna przy dodatniej temperaturze. Nie może być mowy o jakimkolwiek komforcie.

Schemat instalacji kotła na paliwo stałe z akumulatorem ciepła jest idealnym rozwiązaniem dla prywatnego domu, gdy zależy Ci zarówno na wygodzie, jak i oszczędności. Przy takim zestawie topisz kocioł na paliwo stałe, podgrzewasz wodę w akumulatorze termicznym i uzyskujesz tyle ciepła, ile potrzebujesz. W takim przypadku kocioł będzie pracował z maksymalną mocą iz najwyższą sprawnością. Ile ciepła da drewno lub węgiel, tyle zostanie zmagazynowane.

Druga opcja. Montaż akumulatora ciepła z kotłem elektrycznym. To rozwiązanie sprawdzi się, jeśli posiadasz dwutaryfowy licznik energii elektrycznej. Ciepło magazynujemy w taryfie nocnej, korzystamy z niego zarówno w dzień jak iw nocy. Decydując się na taki system ogrzewania, lepiej poszukać akumulatora ciepła z możliwością zainstalowania grzałki elektrycznej bezpośrednio w beczce. Grzałka elektryczna jest tańsza niż kocioł elektryczny, a materiał do wiązania kotła nie jest wymagany. Minus prace przy instalacji bojlera elektrycznego. Wyobrażasz sobie, ile możesz zaoszczędzić?

Trzecia opcja to instalacja kolektora słonecznego. Cały nadmiar ciepła można odprowadzić do akumulatora ciepła. W okresie półrocznym uzyskuje się doskonałe oszczędności.

Obliczenia akumulatora ciepła

Wzór obliczeniowy jest bardzo prosty:

Q = mc(T2-T1), gdzie:

Q - nagromadzone ciepło;

m to masa wody w zbiorniku;

c - ciepło właściwe chłodziwa w J / (kg * K), dla wody równej 4200;

T2 i T1 - początkowa i końcowa temperatura płynu chłodzącego.

Załóżmy, że mamy system ogrzewania grzejnikowego. Grzejniki dobierane są do reżimu temperaturowego 70/50/20. Te. gdy temperatura w zbiorniku akumulatora spadnie poniżej 70C, zaczniemy odczuwać brak ciepła, czyli po prostu marznąć. Obliczmy, kiedy to nastąpi.

90 to nasz T1

70 to T2

20 - temperatura pokojowa. Nie potrzebujemy tego w naszych obliczeniach.

Załóżmy, że mamy akumulator ciepła na 1000 litrów (1m3)

Bierzemy pod uwagę rezerwę ciepła.

Q \u003d 1000 * 4200 * (90-70) \u003d 84 000 000 J lub 84 000 kJ

1 kWh = 3600 kJ

84000/3600=23,3 kW ciepła

Jeśli strata ciepła w domu wynosi 5 kW podczas zimnego pięciodniowego okresu, to zmagazynowanego ciepła wystarczy na prawie 5 godzin. W związku z tym, jeśli temperatura będzie wyższa niż obliczona dla chłodnego pięciodniowego okresu, to akumulator ciepła wystarczy na dłuższy czas.

Wybór objętości akumulatora termicznego zależy od twoich zadań. Jeśli chcesz wygładzić temperaturę, ustaw niewielką głośność. Jeśli chcesz akumulować ciepło wieczorem, aby rano obudzić się w ciepłym domu, potrzebujesz dużej jednostki. Niech będzie drugie zadanie. Od 2300 do 0700 - musi być zapas ciepła.

Załóżmy, że straty ciepła wynoszą 6 kW, a reżim temperaturowy systemu grzewczego wynosi 40/30/20. Czynnik chłodzący w akumulatorze ciepła można podgrzać do temperatury 90°C

Czas magazynowania 8 godzin. 6*8=48 kW

M \u003d Q / 4200 * (T2-T1)

48*3600=172800 kJ

V \u003d 172800 / 4200 * 50 \u003d 0,822 m3

Akumulator ciepła od 800 do 1000 litrów zaspokoi nasze wymagania.

Zalety zastosowania akumulatora ciepła w domu ocieplonym

Jeśli Twoja strona nie ma narodowego skarbu - głównego gazu, czas pomyśleć o odpowiednim systemie grzewczym. Najlepszy czas jest wtedy, gdy projekt jest dopiero przygotowywany, a najgorszy, kiedy już mieszkasz w domu i zdajesz sobie sprawę, że ogrzewanie jest bardzo drogie.

Idealny dom do zainstalowania kotła na paliwo stałe i akumulatora ciepła to budynek z dobrą izolacją i niskotemperaturowym systemem grzewczym. Im lepsza izolacja, tym mniejsze straty ciepła i tym dłużej akumulator ciepła będzie w stanie utrzymać komfortowe ciepło.

System ogrzewania niskotemperaturowego. Powyżej podaliśmy przykład z grzejnikami, gdy reżim temperaturowy wynosił 90/70/20. W trybie niskiej temperatury warunki będą wynosić - 35/30/20. Poczuj różnicę. W pierwszym przypadku już wtedy, gdy temperatura spadnie poniżej 90 stopni, odczujesz brak ciepła. W przypadku systemu niskotemperaturowego można spać spokojnie do rana. Dlaczego bezpodstawne. Po prostu policzmy korzyści.

Obliczyliśmy powyższą metodą.

Wariant z systemem ogrzewania niskotemperaturowego

Q \u003d 1000 * 4200 * (90-35) \u003d 231 000 000 J (231 000 kJ)

231000/3600=64,2 kW. To prawie trzykrotnie więcej przy tej samej pojemności akumulatora ciepła. Przy stratach ciepła - 5 kW ta rezerwa wystarcza na całą noc.

A teraz o finansach. Załóżmy, że zamontowaliśmy akumulator ciepła z grzałkami elektrycznymi. Przechowujemy po taryfie nocnej. Moc Tenova - 10 kW. 5 kW idzie na bieżące ogrzewanie domu w nocy, 5 kW możemy zmagazynować na dzień. Taryfa nocna od 23-00 do 07-00. Godzina ósma.

8*5=40kW. Te. w ciągu dnia będziemy korzystać z taryfy nocnej przez 8 godzin.

Od 1 stycznia 2015 r. Na Terytorium Krasnodarskim taryfa dzienna wynosi 3,85, a stawka nocna 2,15.

Różnica wynosi 3,85-2,15 \u003d 1,7 rubla

40 * 1,7 = 68 rubli. Kwota wydaje się niewielka, ale nie spiesz się. Powyżej podaliśmy linki do domu ocieplonego i nieocieplonego. Wyobraź sobie, że popełniłeś błąd - dom jest zbudowany, pierwszy sezon grzewczy masz już za sobą i zdałeś sobie sprawę, że ogrzewanie prądem jest bardzo drogie. Powyżej podaliśmy przykład strat ciepła w nieocieplonym domu. W przykładzie strata ciepła wynosi 18891 watów. To jest w zimny dzień powszedni. Średnia dla sezonu grzewczego będzie dokładnie 2 razy mniejsza i wyniesie 9,5 kW.

Dlatego na sezon grzewczy potrzebujemy 24 * 149 * 9,5 = 33972 kW

W rublach 16 godzin, 2/3 (22648) według stawki dziennej, 1/3 (11324 kW) w nocy.

22648 * 3,85 = 87195 rubli

11324 * 3,85 = 24346 rubli

Razem: 111541 rubli. Dane dotyczące ciepła są po prostu przerażające. Taka kwota może zrujnować każdy budżet. Jeśli przechowujesz ciepło w nocy, możesz zaoszczędzić. 38502 rubli za sezon grzewczy. Duże oszczędności. Jeśli mamy takie wydatki, konieczne jest zestawienie z kotłem elektrycznym kotła na paliwo stałe lub kominka z płaszczem wodnym. Jest czas i chęci - dorzucili drewno na opał, zgromadzili ciepło w akumulatorze termicznym, a resztę dokończyli prądem.

W ocieplonym domu z akumulatorem ciepła koszt sezonu grzewczego będzie porównywalny z podobnymi domami nieocieplonymi, które mają gaz sieciowy.

Nasz wybór, gdy nie ma głównego gazu, jest następujący:

Dobrze ocieplony dom;

System ogrzewania niskotemperaturowego;

Akumulator termiczny;

Kocioł na paliwo stałe lub kominek wodny;

Kocioł elektryczny.

Jeśli masz w domu kotłownię na paliwo stałe, to powinieneś mieć świadomość, że nie jest ona w stanie funkcjonować. przez długi czas bez interwencji człowieka. Wynika to z konieczności okresowego ładowania drewna opałowego do paleniska. Jeśli nie zostanie to zrobione na czas, system zacznie się ochładzać, a temperatura w pomieszczeniach spadnie.

Wyłączenie prądu podczas rozpalania paleniska grozi zagotowaniem wody w płaszczu urządzenia, co spowoduje jego zniszczenie. Problemy te można rozwiązać, instalując akumulator ciepła. Pełni również rolę zabezpieczającą instalacje żeliwne przed pękaniem w przypadku gwałtownego spadku temperatury wody sieciowej.

Wykorzystanie akumulatora ciepła w życiu codziennym

Bateria termiczna stała się dla wielu nowoczesne systemy ogrzewanie niezbędne urządzenie. Dzięki temu dodatkowi można zapewnić gromadzenie nadmiaru energii wytwarzanej w kotle i zwykle traconej. Jeśli weźmiemy pod uwagę modele akumulatorów ciepła, to większość z nich wygląda jak stalowy zbiornik, który ma kilka górnych i dolnych dysz. Źródło ciepła jest podłączone do tego drugiego, podczas gdy odbiorcy są podłączeni do pierwszego. Wewnątrz znajduje się płyn, który można wykorzystać do rozwiązania różnych problemów.

Akumulator termiczny jest dość często używany w życiu codziennym. Jego działanie opiera się na imponującej pojemności cieplnej wody. Działanie tego urządzenia można opisać następująco. Rurociąg urządzeń kotłowych jest podłączony do górnej części zbiornika. Gorący płyn chłodzący dostaje się do zbiornika, który okazuje się nagrzany do maksimum.

Pompa obiegowa jest na dole. Pobiera zimną wodę i przepuszcza ją przez system grzewczy, kierując ją do kotła. Schłodzony płyn w krótkim czasie zostaje zastąpiony podgrzanym. Gdy tylko kocioł przestanie działać, płyn chłodzący zaczyna ochładzać się w rurach i rurociągach. Woda dostaje się do zbiornika, gdzie zaczyna wypierać gorący płyn chłodzący do rur. Ogrzewanie pomieszczenia będzie kontynuowane przez pewien czas zgodnie z tą zasadą.

Rola magazynu ciepła

Bateria termiczna w życiu codziennym może pełnić wiele przydatnych funkcji, między innymi:

• stabilizacja temperatury w domu;
• zaopatrzenie lokali w ciepłą wodę;
• maksymalne zwiększenie wydajności systemu;
• obniżenie kosztów gotówkowych za paliwo;
• akumulacja nadmiaru energii z kotła;
• połączenie kilku źródeł ciepła w jeden obwód;
• możliwość rozdzielenia źródeł ciepła.

Co jeszcze musisz wiedzieć o funkcjach użytkowania w życiu codziennym

Do tej pory istnieje kilka metod obliczania objętości zbiornika. Jak pokazuje doświadczenie, na każdy kilowat mocy sprzętu potrzeba 25 litrów wody. Sprawność kotła, która zapewnia potrzebę instalacji grzewczej z akumulatorem ciepła, wzrasta do 84%. Pik spalania jest wyrównany, dzięki czemu oszczędza się zasoby energii w wysokości do 30%.

Akumulator ciepła zapewnia utrzymanie temperatury dzięki niezawodnej izolacji termicznej wykonanej ze spienionego poliuretanu. Dodatkowo istnieje możliwość zamontowania grzałek, które w razie potrzeby pozwalają na podgrzanie wody.

Kiedy potrzebujesz magazynu ciepła

Magazynowanie ciepła jest konieczne, gdy występuje duże zapotrzebowanie na wodę. Ta sprawa dotyczy domków z więcej niż 5 osobami.

Magazynowanie ciepła jest również konieczne w tych domach, w których są dwie łazienki. Akumulator ciepła jest również wymagany przy stosowaniu kotłów na paliwo stałe. Opisane urządzenia wygładzają pracę sprzętu podczas godzin dużych obciążeń, zbierając nadmiar ciepła i eliminując wrzenia. Za pomocą takiego urządzenia można wydłużyć czas pomiędzy kartami paliwowymi.

Inne rodzaje akumulatorów ciepła

Można również zastosować akumulator ciepła do samochodu. Jest to termos, który zapewnia łatwe uruchomienie silnika, gdy niskie temperatury. To urządzenie gromadzi i oddaje ciepło. Działa autonomicznie i prawie nie wymaga stosowania dodatkowej energii. Zasada jego działania polega na tym, że płyn niezamarzający jest podgrzewany z pracującego silnika do 90 ° C, a jeśli zostanie umieszczony w akumulatorze termicznym, pozostanie gorący przez kolejne dwa dni.

Przed uruchomieniem zimnego silnika konsument będzie musiał włączyć pompę elektryczną, która będzie pompować płyn do silnika. Po kilku minutach silnik będzie rozgrzany, co oznacza, że ​​można go podłączyć do alarmu samochodowego.

Wynaleziono także akumulator ciepła do pocisków ziemia-powietrze. Uruchomiono jego produkcję, dzięki której udało się zwiększyć skuteczność obrony przeciwlotniczej. Dziś akumulatory ciepła można niestety wykorzystać do stworzenia zdalnie sterowanych pojazdów minowych.

Wykonanie akumulatora ciepła własnymi rękami

Bardzo prosty model baterię można wykonać niezależnie, podczas gdy należy kierować się zasadami termosu. Dzięki ściankom, które nie przewodzą ciepła, płyn długo pozostanie gorący. Do pracy należy przygotować:

• Szkocka;
• Płyta betonowa;
• materiał termoizolacyjny;
• rury miedziane lub elementy grzejne.

Kiedy jest wykonany, przy wyborze zbiornika należy wziąć pod uwagę pożądaną pojemność, powinna zaczynać się od 150 litrów. Możesz podnieść dowolną metalową beczkę. Ale jeśli wybierzesz wolumin mniejszy niż wymieniony, znaczenie zostanie utracone. Pojemnik jest przygotowany, kurz i zanieczyszczenia są usuwane z wnętrza, obszary, w których zaczęła się tworzyć korozja, należy odpowiednio potraktować.

Metodyka pracy

W następnym etapie konieczne jest przygotowanie grzejnika, który będzie musiał być owinięty wokół lufy. Będzie odpowiedzialny za utrzymanie ciepła. Wełna mineralna doskonale nadaje się do budowy domowej roboty. Z zewnątrz zbiornik jest owijany wokół niego, a następnie cała konstrukcja jest zabezpieczana taśmą klejącą. Dodatkowo powierzchnia może być pokryta folią lub metalem.

Podczas uruchamiania akumulatora ciepła do ogrzewania ważne jest, aby woda w środku była podgrzewana, w tym celu zwykle stosuje się jedną z istniejących metod. Może to być instalacja elektrycznych elementów grzejnych lub wężownicy, przez którą zostanie uruchomiona woda. Pierwszej opcji nie można nazwać bezpieczną, ponadto jest dość trudna do wdrożenia, więc lepiej ją odrzucić. Ale możesz zrobić cewkę z miedzianej rurki, której średnica waha się od 2 do 3 cm.

Długość produktu może być równa granicy od 8 do 15 mm. Spirala jest montowana z rurki, którą należy umieścić wewnątrz pojemnika. W tym modelu bateria będzie Górna część beczki. Poniżej konieczne jest umieszczenie kolejnej rury odgałęzionej, która będzie wprowadzająca. Przepłynie przez nią zimna woda. Rury rozgałęźne należy uzupełnić o krany.

W tym momencie możemy założyć, że prosty akumulator ciepła jest gotowy do pracy, ale najpierw należy rozwiązać problem związany z bezpieczeństwem przeciwpożarowym. Taka instalacja powinna znajdować się na płycie betonowej, jest w miarę możliwości odgrodzona ścianami.

Wniosek

Akumulator termiczny do rakiety to urządzenie dalekie od zrozumienia zwykłego konsumenta. Ale możesz łatwo samodzielnie podłączyć akumulator ciepła do systemu grzewczego. Aby to zrobić, rurociąg powrotny będzie musiał przejść przez zbiornik, na końcach którego znajduje się wyjście i wejście.

W pierwszym etapie należy połączyć ze sobą zbiornik i powrót kotła. Pomiędzy nimi znajduje się pompa obiegowa, która oddestyluje płyn chłodzący z beczki do zaworu odcinającego, grzejników i zbiornika wyrównawczego. Po drugiej stronie zainstalowana jest pompa obiegowa i zawór odcinający.

Źródło zdjęcia - strona http://www.devi-ekb.ru

Dzięki zastosowaniu magazynowania energii cieplnej możliwe jest opłacalne przesunięcie zużycia gigawatów energii. Ale dzisiaj rynek takich dysków jest katastrofalnie mały w porównaniu do potencjału. Główną przyczyną jest fakt, że na początkowym etapie powstawania systemów magazynowania ciepła producenci przykładali niewielką wagę do badań w tym zakresie. Następnie producenci w pogoni za nowymi zachętami doprowadzili do tego, że technologia uległa pogorszeniu, a ludzie zaczęli źle rozumieć jej cele i metody.

Najbardziej oczywistym i obiektywnym powodem zastosowania systemu magazynowania ciepła jest efektywne ograniczenie nakładów finansowych na zużywaną energię, ponadto koszt energii w godzinach szczytu jest znacznie wyższy niż w innych porach.

Mity o systemach magazynowania energii

Mit 1. Rzadkie korzystanie z takich systemów

Obecnie systemy akumulacji (akumulacji) energii cieplnej są szeroko reprezentowane na rynku i wielu aktywnie z nich korzysta. Doskonałym przykładem obrazującym wartość zmagazynowanej energii są domowe podgrzewacze wody, gdzie taki układ określany jest mianem „pozaszczytowego układu chłodzenia”. Do natychmiastowego podgrzania wody potrzeba około 18 kW, ale najmocniejsze grzejniki mają elementy grzejne o mocy 4,5 kW. Dlatego do okablowania potrzeba 4 razy mniej infrastruktury, a co za tym idzie, mniejsze zużycie energii.

Nikt nie instaluje grzejników zaprojektowanych do natychmiastowego zużycia maksymalnego obliczonego obciążenia, ta sama praktyka dotyczy systemu klimatyzacji. Ponadto instalacja systemu z agregatem chłodniczym jest zwykle zmniejszona o 40-50% (redukcja infrastruktury).

Mit 2. Systemy magazynowania ciepła zajmują dużo miejsca

Powrót do tradycyjnego podgrzewacza wody? Zajmuje dużo miejsca w Twoim domu?

Ponadto z reguły stosuje się system z częściowym magazynowaniem ciepła, który zapewnia około jednej trzeciej wymaganej mocy, a zatem taka instalacja zajmuje mało miejsca.

Mit 3. Takie systemy są zbyt złożone

Konwencjonalny podgrzewacz wody ma prostą konstrukcję. Zawiera grzałkę, której moc jest mniejsza niż moc zapewniająca maksymalne obciążenia i włącza się w momencie, gdy temperatura na wlocie spadnie poniżej 95% nastawionej.

Zbiornik tego systemu jest prostym przykładem zasobnika ciepła, który nie posiada żadnych ruchomych części. Systemy z częściowym obciążeniem nie mogą zawieść, ponieważ brakuje im możliwości losowego ustawienia wysokiego zużycia energii. Większe systemy chłodzenia poza szczytem mają bardziej złożone struktury sterowania, więc może być z nimi wiele problemów, a projektant będzie musiał ciężko pracować, aby zaprojektować wydajny system ze znacznymi oszczędnościami zasobów.

Mit 4. Brak redundancji (rezerwy) przy częściowym magazynowaniu energii

Praktycznie każdy system chłodzenia poza godzinami szczytu jest w stanie zapewnić taką samą redundancję, jak konwencjonalny system o tej samej cenie.

Mit 5. Duże koszty kapitałowe

Uzyskanie aktualnych cen sprzętu jest problematyczne, ponieważ producenci niechętnie je publikują. Chociaż wiele badań wskazuje na niskie koszty systemowe. Obliczmy przybliżony koszt systemu, przyjmując przybliżony koszt 256 USD za kilowat chłodzenia jako koszt jednostkowy, a to da przybliżony koszt instalacji całego systemu:

System nie wykorzystujący magazynowania energii:

3 chillery o mocy 1400 kW x 256 $/kW ≈ 1 080 000 dolarów.

System wykorzystujący częściowe magazynowanie ciepła:

2 agregaty chłodnicze 1400 kW x 256 USD/kW ≈ 720 000 USD.

System magazynowania lodu o pojemności 12 300 kWh x 28 USD/kWh ≈ 350 000 USD.

Całkowity koszt systemu: ≈ 1 070 000 USD.

Niektóre cechy sprzętu i jego lokalizacja w systemie mogą prowadzić do dodatkowych kosztów kapitałowych, jednak takie systemy mogą z łatwością konkurować pod względem kosztów.

Mit 6. Nie ma przepisów dotyczących oszczędności energii

Analizując oszczędności, należy wziąć pod uwagę zarówno energię zużywaną w budynku, jak i energię zużywaną u źródła jej produkcji w elektrowni. Większość energooszczędnych urządzeń jest zaprojektowana tak, aby zmniejszać zużycie energii, nie skracając przy tym czasu ich użytkowania. Systemy chłodzenia poza szczytem oszczędzają energię, usuwając ją „z licznika”. Prawdopodobieństwo oszczędności wynosi 50/50.

Mit 7. Taryfy energii elektrycznej mogą ulec zmianie, co może prowadzić nie tylko do braku oszczędności, ale także do wzrostu kosztów

Oczywiście zmiany taryf są nieuniknione, ale warunki i zużycie energii pozostają niezmienione.

Można mieć nadzieję, że obciążenia dzienne i nocne kiedyś się zrównają, ale jest to mało prawdopodobne, więc przez wiele lat będzie istniała znacząca różnica w taryfach.

Dość dobrze znanym dziś systemem akumulacji ciepła jest system „ciepłej podłogi”, w którym kabel wylewa się jastrychem o grubości 5 cm. Ale niewiele osób wie, że zwiększenie jastrychu do 10-15 cm pomoże nie tylko obniżyć koszty, ale również rozpocząć proces akumulacji ciepła.

Wcześniej do akumulacji ciepła stosowano „opalarki”, które nie nagrzewały przestrzeni w pobliżu bezpośredniej obecności ludzi, a także spalały tlen. Systemy ogrzewania kablowego nie tylko pozwalają na efektywną akumulację ciepła, ale także tworzą komfortowy mikroklimat w pomieszczeniu.

Jednym z powodów poczynienia znacznych oszczędności było wprowadzenie nowych trójtaryfowych liczników energii elektrycznej, jednak niewiele osób ma możliwość korzystania z systemu grzewczego w nocy. Zastosowanie systemu kablowego w połączeniu z 5 cm listwą pozwala szybko nagrzać kabel, ale jednocześnie szybko się ochładza. Oznacza to, że proces jest cykliczny. Podwyższenie jastrychu do 10-15 cm pozwala na dłuższe utrzymywanie ciepła, co oznacza, że ​​czas cyklu wydłuża się do kilku godzin.