Вопросы энергосбережения и энергоэффективности вызывают все больший интерес с каждым годом во всем мире. Аккумулирование энергии позволяет сберечь энергию и обеспечить резерв в случае внезапного прекращения работы основного источника энергии. Рассмотрены виды аккумулирования энергии и способы их применения во всех современных сферах деятельности человека.
Ключевые слова: аккумулирование, тепловой накопитель, энергоэффективность, энергосбережение, отопление.
Энергетика является одной из ведущих отраслей современного хозяйства. В настоящее время одним из ключевых направлений развития современной экономики является энергоэффективность.
Тепловое аккумулирование — это химические или физические процессы, которые позволяют накапливать тепло в тепловом аккумуляторе. Тепловой аккумулятор состоит из резервуара для хранения, аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и вспомогательного оборудования. Одним из способов сбережения энергии является использование так называемых аккумуляторов энергии (тепловых накопителей). Подобные установки способны сберечь энергию и обеспечить резерв в случае внезапного прекращения работы системы отопления.
Основной целью аккумулирования энергии является преодоление, сглаживание несоответствий между подачей энергии потребителю и его реальными потребностями. Еще одной важной задачей аккумулирования энергии является выравнивание выработки энергии, то есть уменьшение подачи в период пиковых нагрузок и заполнение провалов тогда, когда энергия почти не используется.
Тепловые накопители (аккумуляторы), как правило, работают на принципе накопления — выделения внутренней энергии. Это достигается за счет химических или физических процессов внутри аккумулятора. Например, за счет нагревания, охлаждения жидких или твердых тел, плавления и других обратимых реакций. [1–2]
Нельзя обойти стороной так же вопрос экономической целесообразности, так как аккумулирование энергии позволяет значительно уменьшить затраты потребителя. Простой пример ячейки теплового накопителя приведен на рисунке 1.
Вокруг канала с протекающим по нему теплоносителем расположено теплоаккумулирующее вещество. При заряде температура теплоносителя на входе в накопитель больше температуры на выходе из него. Протекая по каналу и остывая, горячий теплоноситель отдает энергию теплоаккумулирующему материалу.
Рис. 1. Расчетная схема теплового накопителя с однофазным теплоаккумулирующим материалом
Накопление энергии происходит за счет теплоемкости, температура материала возрастает. При разряде температура теплоносителя на входе в накопитель меньше температуры на выходе из него. Протекая по каналу, холодный теплоноситель нагревается за счет остывания теплоаккумулирующего материала. Температура материала понижается. [3]
По аккумулирующей среде можно установить следующую классификацию аккумуляторов тепла:
– прямое аккумулирование (теплообмен и аккумулирование происходят в одной среде)
– косвенное аккумулирование (только теплообмен, процесс может протекать с фазовым переходом и без)
– полупрямое аккумулирование
– сорбционное (основано на способности некоторых веществ абсорбировать газы с выделением тепла)
На сегодняшний день существует большое количество разных видов аккумуляторов энергии: паровые, жидкостные, с электронагревательным элементом, пневматические, со скользящим давлением, с постоянным давлением.
Применение тепловых накопителей вразличных отраслях
Самым распространенным и привычным для нас примером теплового накопителя в жилищно-коммунальном хозяйстве является накопительный водонагреватель. Подобная установка нашла широкое применение в домах, квартирах, дачах, а так же в промышленных зданиях, общественных центрах и т. д. и т. п. Устройство таких водонагревателей одновременно очень простое и экономически эффективное.
Но в жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий. В случае отопления помещений применяется аккумулирование с использованием тепла фазового перехода (замораживание воды при 0°С). В странах, где затраты на охлаждение летом очень высоки и соизмеримы с затратами на отопление в летнее время, целесообразно применять аккумулирование посредством льда. Это позволяет получить двойной эффект от системы отопления. Возможности применения тепловых накопителей в жилищно-коммунальном хозяйстве активно обсуждаются в Европе и США.
Еще одним современным примером теплового накопителя является топливный двигатель на солнечной энергии. Он применяется преимущественно в авиационной и космической технике. Работа солнечного теплового двигателя обеспечивается подведением энергии с помощью внешней концентрирующей системы к поглощающей поверхности приемника двигателя. Рабочее тело двигателя протекает внутри приемника и нагревается. Поступая затем в обычное реактивное сопло, оно расширяется и создает тягу [3–5].
Термодинамический цикл солнечного термического двигателя приведен на рисунке 2.
Рис. 2. Идеальный термодинамический цикл солнечного термического двигателя
Области применения солнечных термических двигателей:
– перевод спутников с низких околоземных орбит на геостационарные
– очистка космического мусора
– полеты до орбит других планет Солнечной системы, включительно до орбиты Марса (двигатели мощностью 1–5 МВт);
– поддержание орбит долговременных орбитальных станций (двигатели мощностью 10–20 кВт).
Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы. В данном случае, главное целью их работы является обеспечение бортовых потребителей тепловой энергией необходимого качества и в достаточном количестве. Так как пуск судового дизеля должен происходить в некоторых случаях при температуре не ниже +15–20 градусов Цельсия, то соответственно необходим подогрев дизеля при низких температурах. Для этой цели могут применяться различные установки, например, дополнительные котлы и водоводяные холодильники. Для подогрева аккумулятора целесообразно использовать накопленное ранее отводимое тепло самого дизеля. Это позволяет отказаться от дополнительного расхода горюче-смазочных материалов. Экономия зависит от условий эксплуатации и может составлять от сотен килограммов до нескольких тонн.
Применение теплового накопителя энергии позволяет снизить не только расход горюче-смазочных материалов, но также общее количество вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду при работе дизеля.
Дорожные и транспортные средства с аккумуляторами теплоты. Тепловое аккумулирование в транспортных средствах представляет собой частный случай аккумулирования энергии для получения дополнительной мощности там, где в дополнение к временному несоответствию также возникает и локальное несоответствие между подачей и потреблением энергии. Определяющим фактором применения аккумулятора в транспортных средствах являются его объем и масса. Тепловые и пневматические накопители в транспортных средствах применяются наряду с электромеханическими, маховичными накопителями кинетической энергии и аккумуляторами топлива.
В промышленных установках для кратковременного аккумулирования энергии широко применяются твердотельные регенераторы и аккумуляторы пар (горячая вода). Так же могу использоваться накопители, работающие на энергии воды нормального или повышенного давления. Основой задачей аккумуляторов энергии в промышленности является не столько непосредственная экономия энергии, сколько снижение потребления энергии извне, особенно в случае установок с комбинированной выработкой электричества и тепла. [3–8]
Системы теплового аккумулирования энергии нашли широкое применение в энергетических установках, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и транспортных средствах. Интерес к ним растет как в западных странах, так и в России. Так как вопросы энергоэффективности и энергосбережения всегда остаются актуальными, основные принципы аккумулирования энергии найдут свое применение и в будущих технологиях.
Литература:
- Бекман Г, Гилли П. В. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Мир, 1987. — 269 с.
- Левенберг В. Д. Аккумулирование тепла. — К.: Техника, 1991.
- Куколев М. И.. Основы проектирования тепловых накопителей энергии — Петрозаводск, 2001.
- Сотникова, О. А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения / Журнал «АВОК». — 2003. — № 5.
- Аладьев И. Т., Рзаев А. И., Филатов Л. Л. Аккумуляторы тепла фазового перехода для солнечных электростанций с натриевым теплоносителем // Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанций и экономии энергии: Матер. Все-союз. науч.–техн. совещания. Часть 2. — М.: ЭНИН, 1986. — С. 157–163.
- Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 1985. — 320 с.
- Астахов Ю. Н., Веников В. А., Тер-Газарян А. Г. Накопители энергии в электрических системах. — М.: Высшая школа, 1989. — 160 с.
- Висканта Р. Теплообмен при плавлении и затвердевании металлов // Современное машиностроение. Серия А. — 1989. — № 6. — С.119–139.
