Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Подземные теплоаккумуляторы солнечной энергии  Просмотрен 1038

 

Аккумулирование солнечной энергии в подземных теплоаккумуляторах (ПТА) разрабатывается на основе следующих способов:

· глубокие скважины с закачкой воды;

· глубинные скважины с барботированным слоем жидкости;

· теплообменная твердая засыпка в изолированной подземной полости;

· система концентрических труб, продуваемых воздухом в теплоизолированной подземной полости.

 

Разработки подземных теплоаккумуляторов (ПТА) солнечной энергии ведутся практически во всех развитых капиталистических странах. Заслуживают внимания достижения в этой области в Швеции. В рамках национальной программы по освоению энергетических ресурсов разработан проект теплоснабжения группы коттеджей с помощью солнечной энергии и теплонасосных установок, использующих тепло нагретых грунтовых вод. Система спроектирована для условий района г. Ландскруна (Южная Швеция). Первоначально она намечалась для краткосрочного аккумулирования тепла, в последующем - для сезонного. Для этого планируется проведение экспериментов с целью определения возможности создания сезонного подземного теплоаккумулятора (ПТА). В скальных породах на глубине 30 м (Швеция) сооружен сезонный подземный теплоаккумулятор солнечной энергии емкостью 100 тыс.м3. Его годовая энергоемкость 5500 МВт•ч, что эквивалентно 550 т мазута. Подземный теплоаккумулятор имеет кольцевую форму, его высота 30 м, наружный и внутренний диаметры, соответственно, 75 и 35 м. С помощью солнечной энергии отапливается 550 жилищ. Общая поверхность коллекторов 4,2 тыс.м2. Строительные работы длились 7 мес., в том числе самого подземного теплоаккумулятора - 4 мес. Летом и осенью в ПТА поступает нагретая вода до 90°С, а забирается из него с температурой 65-70°С. Среднегодовой КПД 30%, потери тепла неизолированного подземного теплоаккумулятора в конце первого года эксплуатации составят 70%, а через 4 года - 32%, через 10 лет - не превысят 28% (остывание за 25 ч составляет 10°С). Стоимость тепла от подземного теплоаккумулятора эквивалентна стоимости тепла от теплосети. В Швеции разрабатывается проект сезонного ПТА, включающий водоем и подземные горные выработки объемом 700 тыс. м3.

Нагретая летом вода будет закачиваться в подземный теплоаккумулятор. Теплоаккумулирующая энергоемкость составит 11-170 ГВт•ч. В отопительный период вода из ПТА поступает в теплосеть; при падении температуры воды ниже 6°С она будет использована в качестве источника тепла для теплонасосных установок.

Большой интерес проявляется к подземному аккумулированию в водонасосных горизонтах. Он настолько велик, что этим уже занимается большое число стран (Швейцария, Франция, ФРГ, США, Япония, Швеция). В Швейцарии сооружен АТ с использованием водоносного горизонта на глубине 36 м. Схема предполагает возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросного тепла с температурой воды от 30 до 100 С, которая предназначается для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах. Во Франции проведены экспериментальные исследования по закачке воды с температурой до 180°С в водоносный горизонт на глубине 50 м, в результате которых намечены направления дальнейших исследований и масштаб внедрения.

В штате Аляска (США) демонстрируется экспериментальная установка, которая производит тепло при 90 С, в штаге Миннесота - при 150 С. В штате Алабама были проведены два цикла аккумулирования и восстановления тепла. В первом цикле закачали 55 000 м3 воды с температурой 55 С на 48 сут, а затем откачали, коэффициент восстановления тепловой энергии составил 67%. Во втором цикле было закачано 58 000 м3, коэффициент восстановления тепла возрос до 74%. Эти и другие эксперименты подтверждают их эффективность. Отмечается, что проблема закупорки пор и трещин не возникает, если используется дублетная схема скважин (нагнетательная и водозаборная), а рассеяние тепла сохраняется на приемлемом уровне. В частности, к таким выводам пришли в Японии и США.

Исследования и разработки показывают, что подземное аккумулирование тепловой энергии можно организовать по-разному в зависимости от принципа и способов аккумулирования. В первом случае в качестве аккумулирующей среды могут использоваться водонасыщенные пласты, вода, твердая порода и поверхностное поглощение. Во втором - природные формации (водоносные горизонты, каверны, пустоты и т.п.) и искусственные системы (выработки, шурфы, котлованы, емкости, заполненные твердыми частицами, зоны трещиноватости, образованные в результате взрыва или гидроразрыва).

Для подземного аккумулирования тепловой энергии важным является отработка технологии хранения тепла. Уже первые зарубежные результаты показали, что без особых предосторожностей безопасность и надежность не будут обеспечены при температурах выше 200 С и нет уверенности, что это легко разрешимо для температурного диапазона от 100 до 200 С. Обнаружено, что тепловые потери являются неприемлемыми, когда горизонты состоят из породы с крупной гранулометрией (диаметр >1 дм). Это характерно, например, для твердых известняков.

Слои с каменными нагромождениями, каналы с большой проницаемостью, континентальные и дельтовые образования пригодны для подземного аккумулирования тепловой энергии. Существует ограничение по закачке воды, взятой из поверхностного источника или из другого водоносного слоя из-за несовместимости воды. Не решен вопрос об уровне температуры хранения тепла. Данные свидетельствуют, что выгодно поддерживать температуру как можно выше. Например, во Франции эксперименты показали, что повышение температуры хранения со 100 до 200°С позволяет в 2-2,5 раза больше переносить тепла в 1 м3 воды, а гидравлический дебит выше почти в 2 раза при одной и той же энергии откачки воды. Однако использование повышенных температур противоречит идее геометрического дублета, так как с ростом температуры на одну горячую скважину требуется несколько холодных нагнетательных скважин.

Одним из практических параметров является КПД подземного аккумулирования тепловой энергии, который представляет собой отношение между количеством возвращаемого и запасаемого тепла. Его значение зависит от уровня падения температуры. Предположительно считается, что лучше хранить тепло при более высокой температуре, что допускает более высокое падение температуры. Однако падение на 40—50°С за несколько месяцев делает непригодным возвратное тепло для получения электроэнергии. Эксперименты и расчеты дают основание на достижение КПД на уровне 75-80%.

С точки зрения практической реализации сеть подземной воды и обогреваемая сеть должны быть обязательно разделены через теплообменник из-за химической несовместимости и независимых давлений воды в каждой из них. В тоже время нельзя допускать вскипания воды в скважинах и в водоносном горизонте во избежание накипи, разрушения приставок и самого устройства, а особенно для устранения деградации теплового уровня, который практически не восстанавливается. Для этого должны предусматриваться соответствующие регулирующие устройства по поддержанию давления во время хранения, запуска или в периоды эксплуатации с малым дебитом.

Для проектирования и создания систем аккумулирования тепловой энергии должны быть получены достоверные данные о зависимости удельной проницаемости от температуры. Имеются сведения о заметном ее падении с ростом температуры. Необходимо выяснить проблему аккумулирования тепловой энергии в пористой среде с учетом растворимости и выпадения осадков при изменении температуры воды. Вода в пласте находится почти всегда в химическом равновесии с основой пласта, а изменение температуры вызывает изменение химических равновесий в процессе аккумулирования и рекуперации тепла. Очевидно, что нельзя создать эффективные ПТА, не располагая образцами воды и грунта. Даже в тех случаях, когда вода и не содержит много минералов, существуют явления растворимости и выпадения осадков, и они могут быть источником аварии. Поэтому должны быть приняты меры, исключающие крупные выпадения осадков вблизи скважины, а также обеспечены условия работоспособности теплообменников и насосов.

Должны быть изучены вопросы безопасности при создании подземных аккумуляторов тепловой энергии с учетом прогревания грунтовых вод (теплопроводность, конвекция, деривация, динамические перемещения и перемещения из-за неравномерности прогревания поверхности и близлежащих участков, опасность резких перемещений грунта при землетрясениях, образование трещин с выходом на поверхность) и другие аспекты (глубина расположения аккумуляторов, местные аномалии по глубине и плотности и т.п.).

Цель исследований и разработки по созданию подземных аккумуляторов тепловой энергии сводится к выявлению параметров, воздействующих на работу водоносных пластов и близлежащих участков, включая проницаемость, механизмы энергетических потерь, механические и гидравлические характеристики, экологические аспекты и работоспособность оборудования.

При использовании горных выработок или полостей должны быть изучены вопросы воздействия теплоносителя в зависимости от параметров (давление, температура) на приконтурные зоны, выявлены условия возникновения разрушения слагающих массивов, потери устойчивости при термоциклировании. Должны быть разработаны методы расчета при определению термокинетических параметров горных пород и разработанной горной массы в условиях длительного воздействия давления и высоких градиентов температур. Одновременно следует изыскивать новые решения создания эффективных ПТА. Одним из таких решений является ПТА, выполненный в виде подземной полости, облицованной кирпичной кладкой, в которую помешается резервуар из резины или из пластмассы. Между ними и стенками полости образуется пространство, заполняемое пенопластом. Резервуар перед монтажом накачивается воздухом или газом. Снаружи предусматриваются дистанционирующие элементы, предохраняющие его от соприкосновения со стенками и днищем полости. Во избежание его повреждения от заливочной массы он постепенно заполняется жидкостью с плотностью, равной плотности заливочной массы, причем уровни жидкости и массы выдерживаются одинаковыми.

Задачей исследований по разработке подземного аккумулирования тепловой энергии должно быть изучение вышеперечисленного комплекса проблемных и инженерных вопросов с целью развития данного направления для аккумулирования солнечной энергии, в том числе и в сочетании с другими источниками первичной энергии. Таким образом, начиная с середины 70-х годов развернулись исследования по отработке различных технологий теплоаккумулирования и разработке емкостей для хранения накопленной энергии. Наибольшие успехи достигнуты в освоении теплоемкостных АТ. Обобщения ранее накопленного опыта создания и эксплуатации теплоаккумулирующих устройств на традиционных энергоустановках существенно облегчили их создание для СЭУ. Учитывая специфику СЭУ, а также недостатки и несовершенство ранее созданных АТ теплоемкостного типа, была проведена серия лабораторных экспериментов по изучению стабильности ТАМ. Успешно прошли проверку ТАС в условиях, близких к промышленным, что в конечном итоге определило пути их совершенствования. Одновременно выявились трудности в освоении технологии аккумулирования тепла высокого потенциала в АТ теплоемкостного типа, а также в технологии на основе фазовых превращений и обратимых химических реакций.

Для АТ основное ограничение на пути серийного производства является их относительно высокая стоимость. В этой связи предстоит изыскивать решения, основанные на использовании недорогих ТАМ, позволяющих добиться снижения их стоимости. Для водяных АТ основным ограничением является рабочее давление в емкости для хранения тепла. Поэтому заслуживает внимания создание комбинированных теплоемкостных систем с использованием органических ТАМ, широко доступных природных материалов (камень, гравий и т.п.).

В области освоения технологии аккумулирования тепла проведенные эксперименты и теоретические изыскания определили ряд проблемных вопросов, которые предстоит изучить с тем, чтобы было возможным создать недорогие АТ, но эффективные с точки зрения передачи тепла от теплоприемника к потребителю энергии через этап ее хранения в ТАМ, размещенном в емкости АТ.

В области термохимических АТ имеются существенные трудности, но их высокая энергоемкость позволяет продолжить экспериментальные работы особенно с использованием обратимых химических реакций (де)гидратации гидратных солей.

Для аккумулирования тепла высокого потенциала в интервале 250-1000°С заслуживают внимания АТ в первую очередь на основе карбонатов кальция и магния, гидрооксида кальция и магния, сульфатов железа и серного ангидрида.

Перспективным направлением аккумулирования солнечной энергия считаются ПТА. В комбинации с традиционными источниками энергии они могут найти применение как для краткосрочного, так и для сезонного хранения тепла. Опыт экспериментальных установок на основе ПТА в ряде зарубежных стран, особенно в Швеции, показал, что этот метод аккумулирования тепла требует тщательного изучения.

 

Предыдущая статья:Основные направления совершенствования теплоаккумулирующих систем для солнечных энергетических установок и перспективы их применения Следующая статья:Опыт эксплуатации первых экспериментальных СЭС
page speed (0.011 sec, direct)