Опыт эксплуатации первых экспериментальных СЭС показал их достаточную надежность. На отдельных СЭС показатели превзошли проектные. Например, в Барстоу (США) при макси­мальной проектной мощности 10 000 кВт на испытаниях за­регистрирована максимальная мощность 11 400 кВт.

Единичная мощность СЭС башенного типа лимитируется главным образом высотой башни. При высоте башни 250-300 м мощность единичного модуля СЭС может достигать 100 000 кВт.

Таким образом, технический барьер на пути создания крупных СЭС промышленного уровня мощности сегодня можно считать преодоленным. Однако предстоит преодолевать другой, не менее трудный барьер — экономический. Он обусловлен тем, что построенные в последние годы СЭС при современных ценах на топливе неконкурентоспособны с традиционными ТЭС и АЭС. Необходимо снизить удельные капиталыые затраты на их сооружение по крайней мере на порядок. Одной из причин высоких удельных затрат на сооружение СЭС является их уникальность, при постройке которых пока не используются преимущества серийного специализированного производства.

Предстоит разорвать заколдованный круг: пока СЭС обхо­дятся дорого, нельзя развернуть специализированное серийное производство оборудования, а пока не будет организовано та­кое производство — оборудование для СЭС будет обходиться. многократно дороже. Для этого важно выявить возможности повышения экономической эффективности СЭС. Они сводятся в основном к следующему: рациональное размещение СЭС в рай­онах с высокой плотностью солнечного излучения, оптимизация поля гелиостатов с преимущественным расположением зеркал в наиболее эффективной северной части поля, выбор оптимальной высоты башни, повышение параметров рабочего тела, исполь­зование солнечных приемников полостного типа, оптимизация систем аккумулирования.

Важным средством повышения эффективности СЭС является применение и таких широко известных и хорошо зарекомендо­вавших себя способов, как промежуточной перегрев пара и ре­генеративный подогрев питательной воды.

Использование результатов иссследований только в перечис­ленных направлениях позволяет увеличить количество энергии, получаемой с каждого квадратного метра зеркальной поверх­ности гелиостатов, в 5,5-6,5 раза по сравнению с первой СЭС-5, построенной в Крыму.

Принимая во внимание тенденцию неуклонного удорожания первичных топливно-энергетических ресурсов и имеющиеся ре­альные возможности снижения удельных затрат при переходе на серийное специализированное производство оборудования, можно ожидать, чго уже в обозримой перспективе СЭС про­мышленного уровня мощности в южных регионах СССР могут стать экономически эффективными.

Научно-технический прогресс в этой области связан с даль нейшими исследованиями в целях совершенствования Тепловых технологических схем, выбором эффективных теплоносителей, в том числе для систем теплового аккумулирования, разработ­кой головных образцов и совершенствованием технологии изго­товления нестандартизированного гелиотехнического оборудова­ния, созданием эффективных систем автоматического управле­ния технологическими процессами СЭС.

Важным этапом на пути развития солнечной электроэнергети­ки является освоение полномасштабного опытно-промышленного модуля СЭС мощностью до 100 000 кВт.

На первом этапе вряд ли целесообразно строительство ав­тономных СЭС. Более оправданным является создание солнеч­ных пристроек к действующим или строящимся ТЭС. В атом случае отпадает необходимость в сооружении машинного зала, силовой установки, электротехнического хозяйства и других обшестанциоиных сооружений, что позволит создать крупномао — штабиые СЭУ с меньшими издержками и при более благоприят­ных условиях. В то же время полученная в солнечном прием­нике энергия может быть полезно использована в цикле ТЭС как для выработки дополнительной энергии, так и для повы­шения топливной економичности ТЭС. Накопленная в аккуму­ляторах горячей воды солнечная энергия может эффективно заменить регенеративной подогрев питательной воды в часы максимальных нагрузок ТЭС.

На одной из вновё строящихся южных ТЭС СССР целесооб­разно сооружение отдельного солнечно-топливного энергоблока^

Представляется, что такой Путь позволит выиграть время и ускорит решение широкого комплекса научно-технических про­блем создания экономически эффективных СЭС. Одновременно при этом могут постепенно решаться и вопросы создания ма­териально-технической и машиностроительной базы для развел тывания в перспективе серийного производства оборудования для СЭС. Однако и в этом случае из-за ограниченного числа часов солнечного сияния целесообразно номинированное исполь­зование СЭС совместно с гидравлическими, эегроэлектрически —

ми, гидроаккумулирующими, воздушно-аккумулирующими или геотермическими электростанциями,

За рубежом также продолжаются интенсивные исследования в области крупномасштабной солнечной энергетики. В США на­чато строительство очередной СЭС мощностью 43 000 кВт в Южной Калифорнии, Удельные капитальные вложения в нее будут уже втрое ниже, чем в станцию модностью 10 000 кВт, построенной в Барстоу в 1983 г. Начато проектирование СЭС башенного типа мощностью, 100 000 кВт, строительство ко-" торсй запланировано на 1988 г.

Как бы ни была сложна проблема создания крупных эконо­мически эффективных СЭС, нет непреодолимых препятствий на пути ее решения. В соответствии с Основными положениями Энергетической программы[5]СССР на длительную перспективу наступила пора создания материально-технической базы для планомерного освоения неиссякаемой по потенциальным ресур­сам и экологически чистой солнечной энергии.

[1] Проектные данные.

* Данные относятся к двум типоразмерам гелиостатов.

[3] Тепловая мощность

[4] Электрическая мощность

[5] В дальнейшим сокращено РЖЭн,

14-1 ‘ 105

Аккумулирование солнечной энергии в ПТА разрабатывается на основе следующих способов: 1) глубокие скважины с закач­кой водьг, 2) глубинные скважины с барботированным слоем жидкости; 3) тегшообменная твердая засыпка в изолированной подземной полости; 4) система концентрических труб, проду­ваемых воздухом в теплоизолированной подземной полости [91]. Разработки 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 трпло нагрётых. грунтовых вод. Система спроектирована йля 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 ПТА [71]. В скальных породах на глубине 30 м (Швеция) сооружен сезонный ПТА солнечной энергии емкостью 100 тыс. м3. Его годовая энергоемкость 5500 МВт • ч, что эквивалентно 550 т мазута. ПТА имеет кольцевую форму, его высота 30 м, наружный и внутренний диаметры, соответствен! но, 7 5 и.35 м. С помощью солнечной энергии отапливается 550 жилищ. Общая поверхность коллекторов 4,2 тыс. м2. Строї ительные работы длились 7 мес., в том числе самого ПТ А — 4 мёс. Летом и осенью в ГГГА поступает нагретая вода до 90°С, а забирается из него с температурой 65-70°С. Средне­годовой КПД 30%, потери тепла неизолированного ПТА 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 ПТА эквивалентна сто­имости тепла от теплосети [134]. В Швеции разрабатывается проект сезонного ПТА, включающий водоем и подземные гор­ные выработки объемом 700 тыс. м3 Нагретая летом вода будет закачиваться в ПТА. Теппоаккумулирующая энергоем­кость составит 11-170 ГВт • ч. В отопительный период воца из ПТА поступает в теплосеть; при падении температуры воды ниже б С она будет использована в качестве источника тепла для теплонасосных установок [77].

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 1001С, ‘

которая предназначается для отопления, горячего водоснабжение 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 штате Миннесота — при 150иС. 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 [19].

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 воцонасыщенные 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 дто легко разрешимо для температурного диапазона от 100 до 200°С. г 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 иэ-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 м® 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 одную 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 эёвисит 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 то/Же 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.).

1СЮ

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 работоспоробность 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 полоо — ти, облицованной кирпичной кладкой, в которую помещается резервуар из резины или из пластмассы. Между ними и стен­ками полости образуется пространство, заполняемое пеноплао — том. Резервуар перед монтажом накачивается воздухом или газом. Снаружи предусматриваются дистандионирующие 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 [107 1.

Задачей исследований по разработке подземного аккумули­рования тепловой энергии должно быть изучение вышеперечио — ленного 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 за рубе­жом и в СССР развернулись исследования по отработке раз­личных технологий теплоаккумулирования и разработке емкоо — тей 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 опрецелило 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 тенлоемкостных 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, размешенном в емкости АТ. •

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

Для аккумулирования уепла высокого потенциала в интервале 250-Х000°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 энергии считаются ПТА. В комбшации 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;

СЭУ обладают большими термодинамическими возможнос­тями особенно при наличии в ее составе ТАС, когда СЭУ под­

ключается к потребителю через АТ. Если КПД ТАС на СЭУ Eutelios и СЭС в Барстоу не превышает 70%, то КПД ТАС на СЭС CRS на жидком натрии превышает 90% [104]. Вы­сокий КПД ТАС обеспечивается за счет использования в ка­честве теплоносителя, проходящего через теплоприемник, таких веществ, как натрий или расплав соли, которые одновременно служат как ТАМ. Высокий КПД ТАС достигается, если в ка­честве ТАМ применять огнеупорный кирпич, керамику, а в ка­честве теплоносителя — воздух, газ»

Успешно разрабатываются теплоемкость АТ на базе солей азота, в частности на смеси солей NaN03-*KN03< Ее достоин­ства: недорога, обладает высокой плотностью запасаемой энер­гии и работает при достаточно высоких температурах. Компания Martin Marietta разрабатывает ТАС на основе расплава нит­ратов, причем горячая ешь (566 С) будет храниться в обли­цованном огнеупорном материалом баке с внутренней тепло­изоляцией (рис. 17), а холодная соль (288 С) — в баке из углеродистой стали, которая также защищена внутренней тепло­изоляцией. Внутренняя облицовка выполнена из непроницаемых для жидкости вафельных мембран, аналогичных используемым для хранения сжиженного природного газа. Проведенные испы­тания данной ТАС в Альбукерке, в том числе на усталостную прочность облицовки, успешно завершились в 1982 г. [104], Компании Boeing и Sanders Assoc. (США) завершили раз­работку АТ с использованием пористой керамической матрицы в качестве ТАМ, через которую для отвода и подвода тепла прокачивается воздух. Керамический материал (оксид алюминия или магния) хранится в баке под давлением и нагревается до 816°С от газоохлаждаемого ЦП. Для параболоидных концент­раторов разрабатываются АТ, действующие по принципу накоп­ления скрытой теплоты с последующим ее использованием в двигателях с циклами Ревкина, Брайтона л Стирлинга, кото­рые монтируются совместно с АТ на концентраторах и выпол­няются в рнце интегральной конструкции приемник — аккуму­лятор с объембм накопленной энергии, достаточным для рабо­ты только в короткий промежуток времени. Завершена разра­ботка эскизных проектов экспериментальной конструкции и не­которых элементов таких аккумуляторов для работы в СЭУ с параболоидными концентраторами по вышеперечисленным цик­лам, В Jet Propulsion Lab. (США) ведутся работы по изуче­нию текяоперецаюших и коррозионных свойств сшей для рас­смотренных АТ [104].’

Рис. 18

Рис. 17. Экспериментальный бак для хранения горячего рао — плава сопи: 1 — облицовка; 2 — внутренний теплоизоляция; 3— охлаждаемое водой основание

Рис. 18. Конструкция приемника-аккумулятора для параболи­ческого круглого концентратора й двигателя Ренкина на орга­ническом топливе: 1 — сегментные контейнеры с различными МОФ; 2 — стальные трубки для прохода толуола; 3 — жидкий толуол; 4 — перегретый пар толуола; 5 — изоляция приемника;

6 — медная полость •

Для экспериментов с небольшой СЭУ (электрической мої»- ’ ностью 0,1 МВт) была предложена конструкция АТ с МОФ (рис. 18), расположенным внутри стенок теплоприемника. Эта установка будет состоять из поля параболоидных крупных концен­траторов с расположенными на них двигателями Ренкина, рабо­тающими на органическом топливе.

Анализ состояния развития ТАС в составе СЭУ определил не только область их применения, но и пути их совершенство­вания. ТАС первого поколения обладают относительно высоким КПД (70% для непрямых систем и более 90% для прямых). Исходя из этого, усовершенствование ТАС с точки зрения по­вышения КПД не приведет к его сколько-нибудь заметному росту. Поэтому основное внимание должно быть сосредоточен* на снижении их стоимости. В этом отношении перспективными

являются теплоемкостные АТ, для которых поиск недорогих ТАМ — одна из непростых задач. Даже АТ с расплавами нит­ратов, являющиеся наиболее экономичными системами, выиграли бы бт совместной работы-с недорогими ТАМ, например грави­ем. При этом необходимо иметь в виду, что сочетание жидко­го расплава с гравием должно исключать деградацию солевой системы при длительной совместной работе.

В АТ по прямой схеме (имеется в виду, что аккумулирую­щая среда одновременно и теплоноситель) достигается более высокий КПД, так как отпадает необходимость включения теп­лообменника в контур ТАС. В этих схемах основной пробле­мой является выбор инертного в коррозионном отношении и дешевого ТАМ-теплоносителя. К настоящему времени выявле­но, что наиболее приемлемыми являются расплавы солей (нит­ратов) хак для хранения тепла, так и для его отвода и пере­дачи, Жидкий натрий менее эффективен для аккумулирования тепла из-за низкой его теплоемкости къ 3 раза ниже, чем у воды) , но обладает приемлемыми свойствами, необходимыми для отбора тепла. Кроме того, он относительно дорог. Отсюда поиск эффективных ТАМ-теплоносителей для ГАС, реализуемых по прямой схеме, не должен прекращаться. Одновременно пред­стоит разрабатывать емкости для аккумулирования тепла с обеспечением эффективного хранения и отвода его из АТ.

Существуют опасения, что СЭУ, реализуемая по прямой схеме, может оказаться экономически неоправданной из-за высокой стоимости ТАМ — теплоносителя и ТАС. В этом слу­чае между солнечным теплоприемником и АТ выгодно будет установить недорогой промежуточный теплообменник. Для теп­лообменников в традиционных схемах для защиты их от высоко­температурной коррозии используются, дорогие сплавы, поэтому для СЭУ необходимо изыскивать новые виды теплообменников.

Под научным руководством NASA в США разрабатывается и исследуется высокотемпературный теплообменник с прямым контактом между ТАМ и теплоносителем. Конструктивно пре­дусматриваются три модуля (свинцовый, солевой и контактный), соединенных между собой двумя раздельными трубопроводами: один для ТАМ на основе обратимого фазового превращения, а Другой для жидкого теплоносителя. Теплоноситель инжектирует­ся в верхнюю часть теплообменной колонки (контактный мо­дуль), нагревается, проходя вниз по колонке, и откачивается из нижней части к поглотителю тепла. Расплавленный ТАМ в свею очередь поступает в нижнюю часть колонки и передает

Тепло жидкому теплоносителю, поднимаясь при этом вверх про­щ

х2~2 01

Рис, 19. Высокотемпературный теппооомедтик с прямым кон­тактом: 1 — теплоизолированная стенка; 2 — канал горячего Газа; 3 — подача расплава под давлением; 4 — выход горячего Газа; 5 — перегородка с форсунками; 6 — дроссель давления;

7 — выход твердых шариков в дополнительную емкость; 8 — вход горячего газа

Рис. 20. Схема перспективной высокотемпературной СЭС:

1 поле гелиостатов; 2 — дриемник излучения; 3 — тугоплав­кие шарики (расход 5,2 * 103 кг/ч); 4 — расплав окислов;

5 — аккумулирующая емкость (производительность 8640 МВт*,ч, емкость 2,5 • 107 кг, объем 10 400 м3); 6 — аргон (дав — пение 2 МПа, расход 1,51 • 10® кг/ч); 7 — теплообменник высокого давления; 8 — в! ыход шариков из теплообменника;

9 — генератор; 10 — турбина; 11 — компрессор; 12 — низко­температурный теплообменник.

тивотоком. Твердые капли сопи, достигая верхней части тепло* обменной колонки, пересыпаются через край и падают в бак, Окружающий колонку. При зарядке твердый ТАМ расплавлявтс^

И поступает назад в контейнер для складирования жидкой сояй И хранится до цикла разрядки. Эффективность этой системы требует проверки и для этого необходимо проведение даль­нейших исследований [104],

В более серьезных разработках нуждаются высокотемпера­турные АТ (при температурах 800°С и выше). Емкости для теплоносителя и собственно теплообменники, способные выдержи­вать такие температуры, довольно дороги. При использовании прямой схемы, когда теплообмен осуществляется между теп­лоносителем и ТАМ (например, керамика), емкость АТ долж­на выдерживать высокое давление горячего газа. Предстоит поиск новых решений с цепью создания высокотемпературных ТАС. Орним Из вариантов может быть комбинированная ТАС, состоящая из АТ и теплопровода. Тугоплавкие шарики из слож­ных оксидов (40% S1O2 , 20%Mg0, 35% СаО и 5%A|20j)

подают в солнечный теплоприемник, где они плавятся и затем перекачиваются в емкость АТ (рис. 19 и 20). При отборе теп­ла расплав подается в теплообменник высокого давления. В нем расплав распыляется в поток рабочего газа под высоким давлением и отдает ему тепло, а сам затвердевает. Нагретый Газ поступает в турбину, а твердый расплав в виде шариков остается на дне теплообменника. Эта система экономически обоснована, но некоторые ее базовые принципы еще нуждаются в проработке и подтверждении работоспособности.

Другой вариант создания выскотемпературной ТАС — ис­пользование принципа накопления энергии с помощью тепло­емкости и терлоты фазового превращения ТАМ. Например, ТАМ удерживается в пористой керамической матрице за счет капил­лярных сил. Эксперименты подтверждают, что в таких матрицах при температуре 700°С удерживается до 65% расплава солей (щелочных карбонатов). Гибкость техношо* гии изготовления натрия, например в виде компо­зиционных таблеток, кирпичей и т. п. позволит исключить теп­лообменные ‘трубчатые поверхности благодаря осуществлению прямого контакта теплоносителя и ТАМ, Однако это направ.- пение Требует дальнейших исследований о цепью доказательств технологических и экономических преимуществ и выявления ограничений данного метода аккумулирования тепла.

« ТАС, реализуемые на основе МОФ, обладают двумя не­достатками с экономической точки зрения. Во-первых, стои­мость ТАМ в большинстве случаев много выше стоимости Традиционных теплоемкостных материалов (вода, камни и т. д.). Во-вторых, из-за вышеупомянутых особенностей организации подвода и особенно отвода тепла от МОФ требуется развитая поверхность теплообмена, а это, как правило, связано с рос­том стоимости АТ. Поэтому ТАС, в которых теплообмен Осуществляется в результате прямого контакта МОФ и тепло-

Рис. 21. Теїшоаккумупируюший модуль На основе скрытой теплоты фазового превращения: 1 — кол­

лектор входа и выхода; 2 — фазоизменяющий мате­риал (смесь солей NaQH-NaNOj); 3 — пакет труб

носителя является одним из перспективных направлений в ре­шении данной проблемы.

Однако это не исключает изучение фугих типов АТ на оо — нове МОФ. В частности, привлекает внимание новый тип АТ на основе МОФ, который может работать совместно с прием­ником, производящим насыщенный пар, и участвовать в произ­водстве технологического тепла. На рис. 21 представлен мо­дуль АТ с МОФ [104]. Емкость АТ выполнена в виде прямо­угольного бака из углеродистой стали с внешней изоляцией, содержащей пять трубчатых сборок. Каждая из них состоит из 15 отдельных труб, выполненных в виде змеевиков. Последний поддерживаются каналами из углеродистой стали и разделены каналами из алюминия, которые служат для повышения тепло­проводности. В качестве ТАМ используется солевая омесь, состоящая из 18,5% NaNQ^ и 81,5% NaOH, с температурой плавления 256°С. Аккумулирующий модуль заряжается от па-, ра, который конденсируется при температуре 288 С. При раз­рядке модуль АТ генерирует сухой пар с температурой 232 G

Теплопроизводитепьность АТ составляет 19 МВт * ч. Для соэ-г дания такой ТАС. требуется проработать ее отаельные элемен­ты и узлы 0.04].

Перспективной областью применения ТАС пре оставляется использование солнечной энергии аля производства тепла и хо­лопа. В отчете по заказу министерства энергетики США при­ведена информация о 300 действующих’ в США и Канаде теппо — и хоподоаккумулирующих установках* К наиболее распростра­ненны^ ТАМ) относятся вода, лед, песок, кирпич. Вода и песок используются в 88% всех установок в США: вода под давле­нием — в 55% водяных теплоаккумулирующих установок и в 75% установок с комбинированным производством тепла и хо­лода [28].

В [50] предложен аккумулятор солнечной энергии, выпол­ненный в виде устройства, в котором твердые аккумулирующие частицы омываются нагреваемым теплоносителем (газом) сн»- зу вверх. Частицы находятся во взвешенном состоянии, а в стенке сосуда, являющегося также поглотителем солнечной энергии, предусмотрено не менее одного отверстия, через ко­торое солнечное излучение проходит в полость.

В заявке [94] аккумулятор представляет собой закрытый и заполненный жидким ТАМ сосуд емкостью в несколько ты­сяч литров. Внутренний объем его разделен по высоте на несколько зон, в которых расположены теплообменники, соеди­ненные трехходовыми вентилями с циркуляционным контуром,

ПО юторому К НИМ ПОДВОДИТСЯ нагретый теплоноситель, в К£Н честве жидкого ТАМ могут использоваться воды, растворы различных солей и т. п. В каждой из упомянутой зон имеются теплообменники для отвода запасенного тепла к потребителю. Предусмотрен также теплообменник, размещенный в сосуде АТ, который соединен с водогрейным котлом и теппонасосной установкой. Этот теплообменник размешается в верхней чао. ти сосуда. Температура воды от нижней к верхней зоны из­меняется от 40 до 80 С.

« По [130] вода, нагреваемая в коллекторе солнечной энер­гии, подается в зависимости от ее температуры в верхнюю или в нижнюю часть АТ. Регулирующий клапан пропускает во­ду от коллектора к АТ, если температура ее превосходит рас­четную. Иначе она проходит через байпас с ограничением рас­хода. Другой регулирующий клапан направляет воду в один из двух патрубков также в зависимости от ее температуры. Пат­рубки, снабженные расширителями, находятся один в нижней, Другой в верхней части АТ. Скорость выхода воды из патруб-

ков снижается в такой степени, что она не вызывает интенсив* ного перемешивания слоев. Вода отбирается из верхней части АТ с температурой 27 °С и подается в его нижнюю часть.

В последние годы активно ведутся также исследования по изучению процессов и тепловых эффектов обратимых химических реакций и возможности создания термохимических АТ. В работе [78] рассматриваются перспективы использования таких АТ в системах бытового обслуживания. При осуществлении эндотер­мической реакции расходуется солнечная или другой вид энер­гии (атомное, сбросное тепло и т. п.). В отопительных уста­новках выделяемое при экзотермической обратной реакции теп­ло служит для нагрева воды. В [35] даются сведения о перс­пективности способа аккумулирования тепла на основе катали­тических обратимых химических реакций гидрогенизации цикло­гексана с тепловым, эффектом в 206 кДж/моль. Достоинства этой системы: высокая степень обратимости, высокая плот­ность аккумулирования энергии, легкое разделение продуктов реакции, возможность аккумулирования энергии в период вре­мени от суток до сезона. Тепло запасается при температуре от 470 до 770 К и отводится (гидрогенизация) от 423 до 723К.

В ряде работ предлагаются способы и различные решения по разработке термохимического АТ. В [92] патентуется способ и устройство для аккумулирования тепла с помошыо гидратов сопи. Первичный теплоноситель при температуре 163-204°С пропускают через рекуперативный теплообменник в бункере, который Заполнен гидратом сопи ( CaS04*0,5H 2О).

В результате дегидратации, проходящей с поглощением тепла, вода испаряется и пары удаляются из бункера. При гидрата­ции вода подается в бункер и выделяемое тепло передается вторичному теплоносителю (например, воздух), пропускаемому через бункер, при температуре 107-163 С. Вода при гидра­тации добавляется в количестве 6,6% от массы CaSO^. Такой термохимический АТ может использоваться на СЭУ. Параллели но ему рекомендуется применять второй водяной АТ с тепло­обменником, выполняющим роль конденсатора пара, выделяемо­го при дегидратации с температурным уровнем 100-107°С. Применение водяного АТ вдвое повышает аккумулирующую спо собность всей системы, а также КПД.

В [87 ] разработан Способ для аккумулирования тепла, преимущественно на солнечных и геотермальных установках, и устройство для его осуществлении. Этот способ основан на тепловом эффекте химической реакции гидратация — дегидрата­

ция гиаратных солей многовалентных металлов (алюминия, бериллия, магния, железа, кальция и цинка) на основе кислот типа соляной и серной. Тепловой эффект составляет от 488 f 4-2510 кДж/кг или 1,384-7,23 ГДж/м^. Устройство имеет две модификации, которые различаются по типу теплоносите­ля: воздух, жидкие углеводороды.

Наряду с отмеченными предлагаются термохимические АТ, основанные на использовании абсорбционных свойств газов, обратимых реакций получения гидрата, причем реакции выде­ления водорода и образования гидрата осуществляются попере­менно при откачке насосом водорода или гидрата. Продолжает­ся поиск новых решений на основе обратимых химических реак­ций, позволяющих Преодолеть ряд трудностей и недостатков, Присущих термохимическим АТ (выделение и хранение газов, низкая теплота конденсации газов, высокая стоимость сосудов для хранения не конденсируемых газов и др.). Однако рассмот­ренные решения [35, 78]свидетельствуют о перспективности таких АТ для их использования не только в солнечной энерге­тике.

В результате успешного применения енергоустановок с ис­пользованием ТАС на основе материалов с обратимыми фаза­ми (МОф), особенно в Великобритании и ФРГ, в последние го­ды активно начались работы по изучению, созданию и внедре­нию ТАС на основе фазоизменяющих материалов в США, Япо­нии и других странах.

Так, проведены многочисленные исследования АТ для обос­нования технологических и экономических условий их эксплуа­тации. Во Фракции, в частности, изучались характеристики АТ емкостью 200 кВт • ч с использованием солнечной энергии при температуре рабочего агента 150°С. Были измерены теп — ло({изические параметры и скорости фазовых превращений лег­коплавких материалов в пределах от 100 до 150 С [111].

Для СЭС THEMIS проведены экспериментальные испыта­ния, АТ, в котором в качестве ТАМ использована смесь со­лей (53%KN0^+ 40%NaN02 + 7%NaN0-j), Цель исследова­

ний — определение стабильности расплава солей и влияние их на коррозионную стойкость стали, из которой выполнен АТ, а также выявление динамических и статических характерис­тик его работы. Экспериментальная установка для изучения элементов АТ включала электронагреватель мощностью 150кВС теплообменник типа воздух — расплав солей, металлические ба­ки и другие элементы, включая 2000 кг расплава солей [26].

В работе [20] рассмотрены особенности технических ха­рактеристик ТАМ, температурные области применения различ­ных ТАМ для АТ, используемых в различных отраслях про­мышленности: 100-250, 250-600 и более 600°С. Изложе­ны результаты исследований характеристик ТАМ для темпера­турного диапазона 100-2 50°С и представлены данные 76 перспективных ТАМ в интервале температур 100-500 С. Кроме того, приводятся массовый и молярный состав, темпе­ратура плавления, плотность энергии и другие характеристики. Даны также сведения о конструкции АТ с ТАМ — полиэтиле­ном высокой плотности в капсулах диаметром 4 и высотой 450 мм, упакованных в емкость диаметром 600 и высотой ‘ 2000 мм, общей массой 260 кг, энергоемкостью 30 кВт* ч^ с ТАМ состава С (СН20Н)4» ( NaOH-KOH, NaOH-LiOH, LitTH—, КОН), а также конструкции АТ для температур 250-500 С с ТАМ на основе эвтектических систем NaOH-NaNO-j и

Na0H-NaN02* используемые для выработки электроэнергии в часы пик с выдачей электрической мощности 200 МВт в те­чение 6 ч непрерывной работы.

В работе [22] приведен обзор существующих ТАМ, приме­няемых в АТ с фазовыми превращениями для интервала тем­ператур 5г*15, 30-60 и 80-120°С. Даны химический состав, темпертура плавления, теплота фазового превращения и дру­гие параметры. Приведены конкретные примеры использова­ния ТАМ состава^ 2S04-ЮН 20; СаС12*6Н20; NaCH 3С00‘ЗН 20, а также примеры систем и АТ, используемых для кондицио­нирования воздуха в помещениях:ТАМ состава NаС Н }С00 *3 Н20г масса 234 кг, температура плавления 58 С, объем одной емкости 6,88 м3, масса 6,1 кг, число емкостей 29, толщи­на теплоизоляции 75 мм, рбший размеры 1000 х 2300 х х 1800 мм, общая масса 3070 кг, общая теплоемкость 1,3»

• 10^ ккал, тепловые нагрузки в летнее время 140, в зим­нее — 390 ккап/ч. ‘

В ряде работ приводятся результаты теоретических и экс­периментальных АФП. В частности, в работе [100] даны ана­логичные результаты для температур фазового превращения на уровне 627-7275*0 при удельной теплоемкости ТАМ 1,25-4,25 ГДж/м. Для солевой эвтектики LіF (64%) — MgF (30%) — KF (6%) выявлены следующие теплотехничес­кие параметры: температура плавления — 710, кристаллизации 671°С, удельная теплота фазового превращения 782 кДж/кг и коэффициент температуропроводности 0,799 • 10-6 м^/с.

По данным [25], использование фазовых переходов гидра­тов солей осложняется рядом физико-химических процессов (переохлаждение, неравновесное плавление, низкая теплопро­водность) для аккумулирования солнечной энергии. Эти труд­ности решаются в двух направлениях: создание динамического Процесса за счет вращения цилиндра, заполненного гидратом сопи, что позволяет улучшить теплопередачу и снижает до миникума расход кристаллизирующего агента; в статическом Процессе зерна кристаллизатора рассредоточиваются по объе­му емкости АТ с помощью стабилизирующей коллоидной структуры и сгустителя. Были изготовлены различные типы Теплообменников АТ емкостью от 0;01 до 1,5 м*^, на кото — Рьіх проведены серии экспериментов, в частности с гпауберо — вой сопью.

В [104] рассмотрены характеристики гексагидрата хлори­на кальция, декагидрата сульфата натрия и додекаГидрата ди­Натрий гицрофосфата как наиболее исследованных материалов.

Основными недостатками этих гидратов являются неоднород­ностью плавления, тендеіщия к переохлаждению и постепенное сокращение количества восстанавливаемого тепла за счет крио­тал лизании и отложения вещества на поверхности теплообмена. Устранение этих недостатков осуществляется ввепением хими­ческих добавок, например солей стронция в гексагидрат хлори­да кальция.

Ведутся поиски и создание новых композиций солевых сме­сей с целью возможности их использования в качестве ТАМ в ‘ГАС. В [14] предложена солевая теплоаккумулирующая смесь, включающая хлориды лития, калия и рубидия. Для обеспечения работоспособности смеси при температуре 265 1 2,5°С она содержит хлорид цезия при следующем соотношении компонен­тов (в %): хлорид калия 13,7-14,1, хлорид рубидия 13,3­13,5, хлорид цезия 43,5-44,5, остальное-хлорид лития. В [15] дан состав теппоаккумулирующей солевой смеси, состоя­щей из фторидов лития и калия, работоспособной в интервале температур 422-42 6 С за счет дополнительного содержания хлорида и карбоната калия при следующем соотношении компо­нентов (в %): фторид лития 17,6-17,7, фторид калия 33,2­33,8, хлорид калия 8,6-8,7, карбонат калия 40,0-40,4.

В [140 ] предложена методика определения скрытой тепло­ты плавления для эвтектических смесей. Даны критерии для выбора ТАМ. На основе обобщения сведений по свойствам ТАМ отмечается, что гидраты солей с экономической и технической точки зрения наиболее приемлемы длП аккумуляции солнечного тепла.

Однако в связи с широким диапазоном температурного по­тенциала тепла, потребляемого в разных производствах, воз­никает дальнейшая необходимость в подборе соответствующих ТАМ. Несмотря на большое многообразие химических соедине­ний и смесей, обладающих скрытой теплотой, ббпьшая часть из них исключается по соображениям безопасности и экономичности] и из-за несоответствия физических, химических и тепловых свойств. Проблема использования ТАМ состоит в том, что возникает целый ряд вопросов, которые порождают технические трудности реализации АФП. Среди них следует отметить пере­охлаждение, сегрегацию, коррозию, изменение объема и мас­совое производство оболочек контейнеров для ТАМ, Условием; целесообразности использования ТАМ является соответствие і температуры фазового перехода рабочей температуре тепло­потребителя при высокой теплоте плавления. Ряд из ТАМ име­ют неконгруэнтный или попуконгруэнтный режим плавления.

Это ведет к снижению емкости теплоаккумулирования. Исполь­зование кристаллизаторов у таких ТАМ уменьшает теплопере­дачу в процессе плавления. Поэтому конгруэнтно плавящийся ТАМ, хотя и с меньшей теплотой плавления, является одним из лучших.

Большим препятствием на пути использования ТАМ в АФП является обеспечение технически приемлемых изменений объе­ма, оказывающих воздействие на корпус оболочек ТАМ или контейнеров, (в которых размещаются ТАМ. Одно из возможных направлений — использование эластичных материалов для обо­лочек в сочетании с компенсирующими устройствами объемных изменений. .

Разработки и исследования по использованию ТАМ в АФП показали, что эффективность ТАМ в значительной мере зави­сит от уровня переохлаждения ниже темпераіурьі фазового пе­рехода и от проявления расслоения фаз (сегрегации) при роо- те кристаллов. Чтобы теплота фазового перехода использова­лась более полно, необходимо добиваться минимального пере­охлаждения при кристаллизации ТАМ. Выход видится в созда­нии условий быстрого протекания процесса кристаллизации, например, за счет добавок, способствующих ускорению этого процесса. Явление сегрегации снижает уровень теплообмена между твердой и жидкой фазами. Решение этого проблемного вопроса считается эффективным, если достигается постоянное движение жидкого ТАМ во время образования кристаллов. Та­ким решением может быть динамический теплоаккуцулятор, выполненный в виде двух концентрических цилиндров: внешний — фиксяирован, а внутренний — подвижен (2-4 об/мин). Такой принцип обеспечивает хорошее перемещение фаз и исключает сегрегацию. В ряде работ рассматриваются различные конструк­тивные исполнения АФП.

В работе [48] предлагается один из вариантов конструк­ции кристаллизатора. АФП представляет собой теплоизолирова»- ный объем, в нижней части которого находится расплав ТАМ.

В объеме АФП расположен вращающийся барабан. К нему осу­ществляется подвод и отвод нагреваемой среды. Барабан ус­тановлен так, что часть его расположена под уровнем распла­ва ТАМ. При зарядке барабан вращается, и на верхнюю часть его внутренней поверхности разбрызгивается нагреваемый теп­лоноситель. На наружной поверхности барабана происходит кристаллизация ТАМ за счет отвода тепла к теплоносителю.

С поверхности барабана застывший ТАМ снимается ножом и в виде, чешуек поступает споем на трубную решетку. Во время зарядки в трубы решетки подается нагретый теплоноситель от солнечного источника энергии или тепло от любого другого ис­точника. В процессе зарядки ТАМ расплавляется и поступает в объем АФП [48].

В связи с проблемой переохлаждения необходимо стремиться к выбору разности между температурами плавления ТАМ и ра­бочего тела в пределах 5-10°С. Это снижает тепловые поте­ри и степень переохлаждения ТАМ и в то же время этого дос­таточно для обеспечения хорошей теплопередачи при отборе j тепла от ТАМ. Выявлено, что переохлаждение на уровне 5-10 С. практически приводит к прекращению теплоотвода. Даже при отсутствии переохлаждения в случае низкой скорости кристал­лизации уровень теплоотвода становится незначительным. Поэ­тому одной из важных задач является поиск средств, способст­вующих быстрой скорости образования кристаллов.

В ряде работ рассматриваются вопросы решения задач ак­кумуЛирования и экспериментальной проверки методики на основе МОФ. В частности, в Cl 10] теоретически рассмотрена задача о динамике фронта плавления внутри цилиндрической капсулы АТ, использующего воду и октан в качестве изменяю­щего агрегатное состояние материала. Рассмотрен случай боль­ших чисел Рэлея. Показано, что определяющим фактором, влияю­щим на теплообмен и на движение меж фазового фронта, являет­ся естественная конвекция. В нижней части цилиндра с тече­нием времени появляется тепловая неустойчивость и набор вих­рей, существенно влияющих на процесс плавления.

В [84] проводилась пртерка на прототипе АТ, в котором использованы МОФ, в частности парафин. Исследованиями на экспериментальной установке показано, что основной причиной неверных результатов (КПД > 100%) является некорректность используемых уравнений, характеризующих потери тепла в АТ.

В них не учитывается изменение потерь времени.

В [109] проведено теоретическое и экспериментальное по­следование термических характеристик теплоаккумулирующего элемента с оребренным кольцевым погружным теплообменником. Его действие основано на поглощении низкотемпературного тепла при плавлении ТАМ, используемого в качестве рабочей среды. Разработан численный метод решения двумерного нес­тационарного процесса передачи тепла в гомогенной среде. Исследовано влияние числа и толщины ребер, наружного диа­метра, типа ТАМ и материала теплообменника.

В [82] предлагается численный метод решения дифферен­циальных уравнений в частных прозводных параболического

типа совместно с граничными и начальными условиями иля ци­линдрического АТ с конвективной теплопередачей по периферии цилиндра. Методика позволяет определить изменение темпера­тур и перемещение фронта фазового превращения во времени.

Одним Из важнейших требований, предъявляемых к ТАМ, яв­ляется его химическая стабильность и совместимость с кон­струкционными материалами. Реакции Окисления, теплового раз­ложения, гидролиза и цр. могут стать барьером при его исполь­зовании в качестве ТАМ. Кроме того, ТАМ должен быть инер­тен к материалу оболочки, в котором он содержится. Могут оказаться неприемлемы ТАМ, если для их хранения требіуется весьма дорогой материал. Одновременно ТАМ должен быть бе­зопасен с точки зрения токсичности, коррозионности, а также пожаро — и взрывоопасности. При использовании ТАМ для целей тепло — и холодоснабжения, кроме того, должны быть обеспече­ны приемлемые условия безопасности, если абсолютная безо­пасность невозможна.

Аккумулирование тепла на основе фазовых превращений об­ладает двумя недостатками в экономическом плане. Во-первых, стоимость чистых ТАМ выше стоимости традиционных тепло­емкостных веществ (вода, камни, гравий), во-вторых, теплооб­мен в АФП требует развитых поверхностей, что также повы­шает его стоимость. Поэтому выбор ТАМ должен производит!*- ся не столько с учетом его стоимости, сколько эффективности АФП при приемлемых затратах на него и доступности хими­катов и сырья, из которых изготовляются ТАМ и оболочки ‘ для капсулирования.

При разработках собственно устройств с ТАМ следует и о — ходить из того, что емкость АФП зависит от удельной тепло­ты плавления и в меньшей степени — от теплоемкости. Знание этих процессов важно как для разработки самих ТАМ, так и для конструирования АФП [19]. Другие недостатки ТАМ, ко­торые отмечались, технически преодолимы.

К настоящему времени наибольшее распространение получи­ли АФП для целей тепло — и холодоснабжения. Более интенсив­но разработки ТАС на основе МОФ ведутся с начала 70-х го­дов в США, Японии и промышленно развитых странах Западной Европы. В 1973 г. при университете штата Делавэр в США создана установка, для которой разработаны аккумулятор теп­ла и холода. В качестве МОФ в АТ используется пентагицрат гипосульфита натрия, а для холода — смесь глауберовой сопи, буры, хлоридов натрия и аммония. Тепловая емкость АТ 1,5, а аккумуляторов холода 0,45 МДж. Установка работает по

Васгояшее время в качестве демонстрационной установки.

В 1975 г. управление энергетических исследований и раз­работок министерства энергетики США организовало группу при университете штата Виргиния для оценки результатов по разра­ботке МОф для АТ и холода. Признано необходимым создать справочник, который должен включать термодинамические свойств ва, информацию о тепловых свойствах и кинетике фазовых прев­ращений, а также целый ряд других сведений, необходимых для разработки МОФ, а на их основе — АФП. С 1976 г. ведутся но вые разработки и исследования по поиску МОФ с лучшими свой­ствами. Например, фирма Dow Chemical Со. (США) разраба­тывает новые МОФ на основе гексагидрата хлористого кальция. В Rensselaer Polytechnic Institute (США) подготовлены

данные для неорганических эвтектик, плавящихся при темпера­турах от -138 до 2700°С, и включены в справочник Нацио­нального бюро стандартов. Для температурного диапазона от 10<) до ЗОО С разработаны МОФ на основе борной кислоты и эвтектики нитрата пития с гидрооксидом лития, запатентованные! фирмой Cornier System (ФРГ).

Проводятся исследования АТ на скрытую теплоту растворе­ния. Лучшие из АТ обладают высокой эндотермической тепло­той растворения, высокими температурными коэффициентами растворимости и теплоемкостью в 5 раз превышающей тепло­емкость воды. Конструктивно АФП более эффективен с точки зрения теплопередачи, когда теплообменник выполняется с не­посредственным контактом сред типа жидкий раствор — несме- шиваюшаяся жидкость. Большое внимание уделяется разработ­ке МОФ с превращением из одного твердого состояния в дру­гое. Были открыты комплексные соединения с температурой обратимого фазового перехода от 14 до 185 С с теплотой пе рехода до 455 кДж/кг, но у самых распространенных из них теплота перехода порядка 130 кДж/кг*

В настоящее время проявляется все возрастающий интерес к разработке АФП с МОФ во всем мире, что является дока­зательством необходимости в надежных и компактных АТ на основе эффективных иэотермапьных сред.

Разработка и внедрение АТ достаточно интенсивно начались с середины 70-х годов. В табл. 2 приведены характеристики основных экспериментальных установок по отработке техноло­гии аккумулирования тепла.

На начальном этапе, начиная с 1975 г., в лабораторных условиях изучались технологическая гибкость АТ, вопросы сов­местимости и загрязняемости различных ТАМ. Первый экспе­римент был осуществлен компанией Marlin Marietta сов — место с Технологическим институтом штата Джорджия (США?

• Установка представляла собой двухступенчатый теплоемкост­ный АТ тепловой мощностью 1,6 МВт. В первой ступени в качестве ТАМ использовалось масло, а во второй ступени пе­регрева эвтектическая смесь NaNO^- NaNC^ + KNO3. Про­цесс подвода тепла осуществлялся по следующей схеме. Хо­лодный теплоноситель из бака первой ступени нагревается в теплообменнике паром из приемника и поступает во второй бак. Отбор тепла осуществлялся при обратном процессе. Прин­цип работы масляной ступени аналогичен с принципом рабо­ты соляной ступени. В эксперименте поток пара от приемника для зарядки АТ и поток воды для разрядки имитировались с помощью подключения системы к пиниям центрального отопле­ния и водоснабжения в месте эксперимента (магистраль компа-| нии Georgia Power, Ньюнан, Джорджия) [104].

Во втором эксперименте [104], проведенном компаниями McDonnel Douglas и Rockwell, , использовался АТ про-

извоаительностью 4 МВт • ч с двумя ТАМ: масло и песчано­гравийная смесь. Для хранения горячего и холодного ТАМ в одном баке использовался эффект Thermcline. В баке песча­но-гравийная смесь увеличивает объемную плотность запасаемой тепловой энергии, что, с одной стороны, уменьшает объем в АТ дорогостоящей жидкости (масла), с другой — исключает перемешивание холодной и горячей сред в объеме АТ. Процесс аккумулирования производился нагревом холодного масла, за­бираемого из нижней части бака АТ, в теплообменнике-гор»- чим паром из теплоприемника. Горячее масло поступает в верхнюю часть бака. Разрядка АТ производилась в обратном направлении. Зарядка АТ горячим паром имитировалась тпнх>- редственным нагревом масла в нагревателе при сгорании хими­ческого топлива, а при разрядке использовался теплообменник — парогенератор на месте экспериментального стенда компании Rockwell в г. Санта-Сузана.

На основе этих экспериментов с учетом оценки стоимост­ных и технических характеристик серийных СЭС для экспери­ментальной СЭС в Барстоу был выбран одноступенчатый мао» ляно-гравийный АТ типа Thermocline [55]. На рис. 16 при­ведена схема АТ типа Thermocline производительностью 28 МВт • ч.

В 1982 г. в США введена СЭС в Барстоу мощностью 10 МВт с ТАС на основе масляно-гравийной среды энергоем­костью 5,2 — ДО5 МДж. При зарядке ТАС пар из центрально­го приемника СЭС поступает в теплообменник, где происхо­дит нагрев органического масла НТ-43 до температуры 304 С. Масла в свою очередь отдает тепло гравийному напол­нителю, содержащемуся в цилиндрическом резервуаре диамет­ром 19,2 и высотой 13,4 м. Высота засыпки 12,5 м, доля свободного пространства 0,28, плотность засыпки 2700 кг/м^, соотношение песка и гравия 1:2. При разрядке ТАС масло от­бирает тепло от наполнителя. Емкость АТ обеспечивает 4-ча­совую работу СЭС при выдаче электрической мощности 7 МВт. Эыли проведены исследования по измерению режимных пара­метров контуров накопления и потребления с целью выявле­ния теплового баланса ТАС. Кроме того, представлены дан­ные напряжений в стенках резервуара и характеристикам, дан­ные процесса разложения масла НТ-43, полученные в течение Нескольких месяцев работы ТАС [55]. Там же [55] приводят­ся сведения об испытаниях в Альбукерке АФП энергоемкостью 2,52. • 10 і МДж. Успешное функционирование ТАС на СЭС н Барстоу послужило дальнейшему исследованию АТ, пркменяе-

СЭС СЕ SA -1 электрический мощ­ностью 1 МВт (Альмерия) То же

То же

СЭС Eurelios электрической мощ-Двухступенчатый, бак — Вода под давлен» ностью 1 МВт (Адрано, о. Си — паровой аккумулятор и ем, расплав соли цилия, Италия) горячий и холодный Hitec

баки

СЭС Sunshine электрической Бак — паровой акку — Вода под давлением 249 мощностью 1 МВт (Нио, преф. Ка- мулятор гава, Япония

Двухступенчатый, бак — Вода под давлением, Вода — 232 паровой аккумулятор и фазоизменяющая сольсоль — 361 трубчатые капсулы

Рис. 16. Схема одноступенча­того масляно-гравийного ак­кумулятора типа Thermocline для экспериментальной станциИ в Барстоу: 1 — незаполненный объем; 2 — разветвленный тру. бопровод; 3 — изоляция; 4 — гравий + песок + масло; 5 — вспомогательный разве твлен — ный трубопровод; 6 — охлаж­дающий трубопровод

мых в традиционных схемах для получения тепловой и элект­рической энергии. Рассмотрены технологические аспекты при­менения АТ двух типов (масляно-гравийные и водяные с вы­соким рабочим давлением) и общие вопросы их экономической эффективности в традиционных схемах получения тепловой и электрической энергии [13 3].

В работе [44] приведены результаты экспериментального исследования возможности и эффективности аккумулирования тепла в устройствах, в которых слой Thermocline в одно — или двухкомпонентной среде создается теплоизолирующей плат­формой, разделяющей высоко — и низкотемпературную зону. Наз­начение платформы-получение при разрядке АТ энергии на вы­соком температурном уровне. На основе этих экспериментов выявлены зависимости тепловой мощности АТ от времени цик­ла разряда и температурные профили на границе разряда при наличии теплоизолирующей платформы в сравнении с профилем для естественного Thermocline. Результаты свидетельствуют, что использование платформы позволит реализовать АТ с боль­шей тепловоі| эффективностью, чем в случае естественного Thermocline.

В Японии, Италии, Испании, Франции введены СЭС с АТ, В японском проекте Sunshine предусмотрены два модуля СЭС, каждый электрической мощностью 1 МВт, В одном из них используется АТ с водой под давлением. При работе СЭС на­гое тая вода в солнечном теппоприемнике перекачивается в ак­кумулирующий бак под давлением. Для выработки электроэнер­гии вода из бака АТ подается на расширитель и превращается! в пар пониженных параметров, затем он покается на паровую турбину ■ [104].

В Японии одновременно проводилися» исследования по созда­нию комбинированного паросопевого АТ для СЭС модульного типа мощностью 1 МВт [1381. Было проведено эксперимен­тальное изучение характеристик АТ с ТАМ типа солевой сме­си К F — Lі F с температурой плавления 492 °С и теплотой фа­

зового превращения 389 кДж/кг. На этой экспериментальной установке анализировались разные варианты конструктивного исполнения АТ, в частности один из них двухходовой теплооб­менник, межтрубное пространство которого заполнено смесью солей, в другом солевая смесь размещена в герметичных кон­тейнерах трубчатой формы, помещаемых в корпус теплообмен­ника. При этом контейнеры омываются паром. Во втором ва­рианте эксперименты проведены с солевой смесью KCl-LiCl с температурой плавления 352 С и теплотой фазового прев­ращения 245 кДж/кг. Первый вариант конструкции признан неприемлемым из-за значительных температурных деформаций [138].

На втором модуле СЭС проекта Sunshine вместо ЦП по­пользуются плоские зеркала и вторичные параболические кон­центраторы. Генерируемый пар поступает в двухступенчатый АТ. В первой ступени складируется вода под давлением, во второй нагревается фазоизменяющая соль ( КО-LiCl ), при разрядке АТ горячая вода из первой ступени преобразуется в пар, который затем перегревается во второй ступени, проходя по трубкам, содержащим эвтектическую расплавленную соле­вую смесь. Работа двух модулей СЭС от АТ может продол­жаться в течение 3 ч [104].

В работе [42] рассмотрена модель ТА, предназначаемого для эксплуатации в диапазоне температур 516-584 К. Он представляет собой резервуар, заполненный теппоаккумулирую — щей средой массой ~1500 кг, представляющей собой двухком — поненгную неэвтекгическую смесь калиевых соединений. Под­вод и отвод тепла осуществляются за счет прокачки теплоно­сителя (масло типа НТ-43) через трубный пучок, размеше»- Иый в емкости аккумулятора. Тепловая эффективность ТАМ в — вышеуказанном диапазоне температур обеспечивалась за счет Теплоемкости и теплоты фазового перехода и составляла 410 кДж/кг. На этой модели исследовались режимы зарядки/ разрядки при постоянном уровне теплопередачи и при цикличео — ких режимах с имитацией теплопроизвоцительности гелиосисте­мы по времени суток. На разработанной математической моде­ли получены были результаты, которые были сопоставлены с экспериментальными данными. Разработкой математической мо-

дели преследовалась цель отработки достоверного инструмента, позволяющего производить расчеты характеристик АТ подобногс типа, не прибегая в дальнейшем к эксперименту.

На СЭС Eurelios электрической мощностью 1 МВт исполь­зуется двухступенчатый аккумулятор, в основе которого соче­таются характерные черты японской ТАС и АТ компании Mar­tin Georgia Technology (США). В первой стуйени АТ^

в качестве ТАМ используется вода под давлением, а в ступе-і ни перегрева — расплав солей Hitec. Принцип работы ТАС • состоит в следующем. Вода из основной ступени АТ преобра — ; зуется в пар, который перегревается во второй ступени, отби­рая тепло от расплава соли. Особенность второй ступени — хо­лодный и горячий расплавы соли содержатся в отдельных ба­ках. Такой АТ обеспечивает работу СЭС в течение 0,5 ч [104].

В ведении университета штата Аризона (США) находится ТАС, которая работает в интервале температур от 2 00 до 288°С и обеспечивает выдачу электрической мощности 150 кВв в течение 6 ч. Эта ТАС, как и другие разработки, нацелена на отработку в лабораторных условиях многобаковой системы с маслом и АТ типа Thermocline. Последние проводились на экспериментальном стенде по отработке среднетемпературных СЭУ с ТАС в Альбукерке. ТАС имеет теплопроизвоцительность 0,86 МВт • ч. Каждый из трех одинаковых баков может по­пользоваться в качестве горячего или холодного. На этд%

ТАС проведена программа испытаний по изучению тепловых по­терь и отработке методов контроля при перекачке ТАМ из одного бака в другой. Там же исследовалась ТАС типа Ther — mocline. Первоначально оценивалась теплопроводность стенок сосуда из низкоуглеродистой стали для хранения горячего и холодного ТАМ. Обнаружено, что проводимость стенок при толщине 2,5 см вызывает большие тепловые потери и быструю деградацию Thermocline. В 1980 г. старый бак был заме­нен новым с толщиной стенки 0,48 см. Теплопроизводитель — ностъ этого АТ составляла 0,21 МВт • ч. Причем бак был оборудован аппаратурой для регистрации тепловых потерь и снятия характеристик Thermocline. Испытания были за­вершены в 1981 г., а его результаты внесены в конструктор ский справочник [104].

Однокомпонентные системы типа Thermocline были уста­новлены на СЭУ (многоцелевой) в Шенандоа и СЭС в Альме­рии. На СЭУ в США первоначально планировалось применить

АТ, в котором при зарядке или разрядке масло просачивается через аккумулирующий слой, отдает ецу тепло и затем отбира­ет его. Достоинство такой нстемы в том, что в ней использует­ся относительно дешевое твердое тело, а масло выполняет только функции теплоносителя. Однако оценка стоимости и уровня развития технологии привела к снижению емкости ТАС и к выбору в АТ однокомпонентного Thermocline. Объем АТ обеспечивает функционирование СЭУ в течение 1 ч. В коллек­торе и’ АТ используется в качестве теплоносителя кремнийор­ганическое масло (Syltherm -800) в диапазоне температур от 260 до 399°С.

В проекте СЭС в Альмерии предусмотрены два модуля электрической мощностью по 0,5 МВт каждый. На одном из них используются охлаждаемые маслом парабопоцилиндрические коллекторы, а на другом — охлаждаемый натрием LIT. На пер­вом модуле масляный АТ типа TJiermocline работает в диапа­зоне температур от 225 до 295 С, на другом теплоемкостный АТ на натрии работает от 275 до 530°С, причем холопный и горячий натрий находятся в разных баках. Объем обеих акку­мулирующих систем обеспечивает работу СЭС на номинальном режиме в течение 2 ч.

Йа СЭС THEMIS в ТАС используется расплав солей Hitec, которая одновременно является теплоносителем. Емкость АТ позволяет получать энергию на номинальном режиме (электрик ческая мощность 2,5 МВ. т) в течение 5 ч. Наибольшая тем­пература горячей соли (450°С) выбрана по соображениям ста­бильности и минимального коррозионного эффекта.

Представленные выше данные об основных характеристика* ТАС, полученных по итогам экспериментальных исследований, позволили разработать и создать аккумулирующие системы для ряда экспериментальных СЭС, многие из которых уже воиь* пи в строй и успешно эксплуатируются, в том числе благодаря падежной работе ТАС. Эти данные показывают, что на пер­вых СЭС получили наибольшее распространение теплоемкост- Вые АТ из-за простоты их изготовления и эксплуатации. В последние годы интенсивно ведутся работы по разработке тех­нологии аккумулирования энергии на основе обратимых фазо­вых превращений, которая рассматривается как перспективное направление сознания эффективных ТАС.

Метод теплоаккумулирования зависит от технологических. Характеристик и стоимостных показателей ТАС и режимных Условий работы СЭУ. Стоимость ТАС определяется ншосрец-

ственными капитальными затратами на АТ, ТАМ, используе­мый для накопления энергии Крддо» и в оборудование (KDg), обеспечивающее подвод и отвод тепла от АТ (в том числе теп­лообменники, насосы, трубопроводы, арматура, контрольно-из­мерительная аппаратура и автоматические устройства, а также другие приспособления, обслуживающие и обеспечивающие рабо­ту ТАС).

Общая стоимость ТАС определяется количеством запасае­мой. энергии 3f > величина которой зависит от длительности никла заряда:

К ТАС = Эт (КАТ + КТАМ> + Коб*

Значение К хдс по ряду проектов составляет от 5 до 15-я 20% от капиталовложений в СЭУ. Учитывая, что ТАС может обеспечивать выдачу запасаемой энергии на разном уровне мощ. ности, следует иметь в виду два обстоятельства. В тех случа­ях, когда ТАС относительно дешевая, то может быть оправда­на выдача энергии за больший промежуток времени. Это факти­чески означает работу СЭУ в режиме постоянной нагрузки, т. е. в базисном режиме. Если ТАС относительно дороже, то более вероятно использование СЭУ в режиме выдачи повышенной мощ­ности, т. е. возврат накопленной энергии от ТАС за более ко­роткий промежуток, что соответствует использованию СЭУ в пе­ременном режиме. В свою очередь нужно учитывать, что на затраты на ТАС характеристики ее могут оказывать более за­метное влияние, чем сам процесс накопления тепла. Например, чем выше потери в ТАС, тем дороже отпускаемая энергия от ТАС. Поэтому, когда затраты на потери энергии в ТАС соизме римы (или выше) с затратами собственно на ТАС, то исполь­зование таких аккумулирующих систем будет ограниченным или даже нецелесообразным. Другой важной характеристикой 1 АС является температурный потенциал запасенного тепла. Для СЭУ предназначенных для отпуска тепла, температура на ее выходе определяется температурой теплопотребитепя. В этом случае рассматриваются два типа ТАС: первый тип, когда ТАМ являет­ся одновременно и теплоносителем, что исключает необходимость применения зарядного теплообменника. При ©том температура аккумулируемого и отпускаемого тепла практически одна и та же, независимо от того, отпускается пи оно непосредственно і от теплоприемника или от аккумулятора. Второй тип ТАС пред1

ролагает передачу тепла от теплоприемника к ТАМ через теп­лообменник. В этом случае либо тепло, отпускаемое от ТАС, будет отводиться с пониженной температурой, либо в период заряда аккумулятора теплоприемник должен работать при бо­лее высокой температуре. Помимо этого, температурный уро­вень тепла, отводимого от аккумулятора, будет зависеть от вида технологии его накопления (физическое тепло, тепло обраг — тимых фазовых превращений или обратимых химических реакций). Эти виды различаются по количеству запасаемого тепла в единице объема и объему аккумулирующего материала. При фи­зическом наиболее простом и доступном методе тепло воспроиз­водится при низкой температуре, а из-за низкой плотности за­пасенного тепла для его хранения требуются большие емкости, поэтому в тепловом отношении этот метод уступает по эффек­тивности двум другим видам технологии теппоаккумулирования. Однако в АТ на основе обратимых фазовых превращений или химических реакций температура подвода и отвода может огра­ничиваться свойствами либо ТАМ, либо конструкционных мате­риалов оболочек контейнеров (капсул), в которых осуществля­ется складирование тепла.

Независимо от характера температурного ограничения в ТАС от уровня воспроизводимого тепла будут зависеть и затраты непосредственно на СЭУ. Например, из-за снижения темпера­туры отвода тепла от ТАС по условиям термостабильности ТАМ или по лричине его коррозионного воздействия на оболоч­ку капсул уменьшается тепловая экономичность СЭУ, и, как следствие, для отпуска заданного количества тепловой или электрической энергии требуется увеличить теплопроизводигепь — ность СЭУ и поверхность солнечных отражателей-концентра­торов. Отсюда и стоимость СЭУ возрастает. Причем влияние этих ограничений на стоимость СЭУ будет тем заметнее, чем больше энергии будет воспроизводиться (отпускаться) тепло­аккумулирующей системой, и особенно заметным это влияние будет для базисной СЭУ.

« Важной характеристикой ТАС является удельная энергоем­кость, которая является функцией свойств ТАМ, кинетики про­цессов подвода и отвода тепла и схемы преобразования и пере­дачи запасаемой энергии потребителю. При высокой удельной энергоемкости, обусловленной свойствами ТАМ, заметно умень­шается емкость АТ, а при несложной технологии его изготов­ления дешевле обходится и сооружение ТАС.

Таким образом, учет вышерассмотренных факторов позволит в каждом конкретном случае выбрать наиболее рациональную и

эффективную ТАС, способную выдавать тепло требуемого ка­чества. На практике выбор способа аккумулирования тепла и характеристик АТ должен решаться с позиции экономичности в цепом объединенной системы СЭУ и АТ, которая обеспечи­вала бы выдачу наиболее дешевой энергии и заданного качест­ва и количества.

В перспективе наряду с отмеченными факторами, когда роль СЭУ и других типов энергоустановок на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ветер, градиент темпера­тур в среде и между средами и т. п.) при наличии в ее тех­нологическом цикле ТАС в энергосистеме возрастет, надо учи­тывать системный фактор, в зависимости от которого будет происходить изменение режима работы и структуры оборудова­ния генерирующих мощностей в энергосистеме.

Разраоотка АТ для СЭУ должна производиться в зависимоо! ти от их назначения. При этом должны учитываться факторы, I определяющие выбор метода и способа аккумулирования солнеч-| ной энергии.

4.1. Обшиє положения разработки аккумуляторов тепла

на СЭУ

X.

СЭУ должна обесгіечивать непрерывную выработку электро­энергии при изменяющейся интенсивности солнечного облучения в том числе и при его отсутствии. При этом технологический процесс в элементах и агрегатах СЭУ в нормальных и аварий­ных условиях должен обеспечивать надежную работу СЭУ.

Исходя из этих требований гіробпема надежности СЭУ решается в двух направлениях: установкой либо обычного ТПГ, либо ак­кумулятора тепловой энергии. Первое направление следует рас­сматривать как этап на пути создания СЭС; но в связи с су­ществующей тенденцией непрерывного роста стоимости органи­ческого топлива со временем основным решением проблемы на­дежного энергообеспечения от СЭУ будет теплоаккумулирова­ние.

Учитывая важность аккумулирования тепла в США и в дру­гих развитых капиталистических странах, были созданы нацио­нальные программы по исследованию и разработке систем теп­лового аккумулирования с целью выявления приемлемых из чио — па существующих технологий и возможности создания новых чипов АТ для СЭУ. Jj

Выбор метода и способа аккумулирования тепла на СЭУ схм ределяется типом солнечных установок, и, в первую очередь, щ зависит от схемы концентрации солнечной энергии и назначена! СЭУ. Каждая система включает отражающие поверхности для концентрации солнечных лучей на ограниченную площадь тед-

яоприемника, в котором лучистая энергия преобразуется в теп­ло и используется в паросиловом или в другом технологичес­ком цикле (процессе). .

В зарубежных странах разработка аккумулирующей систе­мы для СЭУ, как правило, осуществляется в несколько этапов. На первом этапе изучается технологическая гибкость теплоак- кумулируюшей системы (ТАС) проводятся лабораторные экспе­рименты. Выявляются условия и требования к конструктивно­му исполнению ТАС и для наиболее перспективной системы на втором этапе проводятся более обширные эксперименты, которые в состоянии подтвердить работоспособность натурных образцов. На последующем этапе ТАС подключается к серий­ной или к экспериментальной СЭУ. На этом этапе завершается подтверждение работоспособности ТАС, и она доводится до состояния готовности включения в состав будущих и действую­щих СЭУ.

До последнего времени почти все разработки в области теп­лоаккумулирования тепла в США проводились под руководством министерства энергетики США. Оно также принимало участие в ряде проектов, проводимых в других странах под наблюдени­ем Международного агенства энергетики или под руководством правительств отдельных стран. Обшиє разработки ведутся по созданию ТАС в Италии, ФРГ, Франции, Японии, Великобрита­нии, а также в других странах. В данном разделе выполнен аналитический обзор состояния проведенных и проводимых в настоящее время в СССР и за рубежом основных исследова­тельских разработок по созданию, освоению и эксплуатации ТАС в электроэнергетике и прежде всего в связи с создани­ем СЭУ. Рассмотрены факторы, определяющие выбор соответ­ствующего метода аккумулирования тепла для конкретного при­менения. Рассматриваются отдельные решения и применения ТАС, дается краткое описание результатов экспериментальных Исследований, направленных на совершенствование технологий Теплоаккумулирования, и освещаются перспективные разработ­ки, намечаемые на ближайшую перспективу.

В США предложена концепция солнечной ТЭЦ тепловой мот ностью 270 МВт с ЦП и полем из 10 441 гелиостата пло — 68

поаккумулятор, заполненный шлаком медеплавильной установки. ,

В облачные дни воздух пропускается через теплоаккумулятор, где нагревается до 800 К и подается в топку, и пароперегре­ватели медеплавильной установки. Исследование было проведе­но применительно к условиям юго-западной части штата Нью — Мексико (США) [102].

В Японии действует также экспериментальная комбинирован­ная гелиоустановка для выработки электроэнергии (15 кВт) и тепла (45 кВт). В установке использованы стационарные и спедяшие гелиоприемники площадью 630 м^, обеспечивающие работу высокотемпературного (250°С) и низкотемпературного (120 С) контуров. Для выработки электроэнергии установлены 2 генератора: с паровой турбиной 5 кВт и турбиной на хладо­не 10 кВт [68].

Другим самостоятельным и довольно перспективным направ­лением использования солнечной энергии является следующее.

Как известно, повышение эффективности дизельных элект­ростанций обычно достигается подогревом топлива за счет установки теплообменника в тракте уходящих газов. В 1982 г. в ноябре в западной Австралии введена в работу установка подогрева топлива солнечной энергией. Эффективность установ­ки определяется высокой стоимостью дальнепривозного горю­чего (50 0 км), при котором топливная составляющая стои­мости электроэнергии равна 12 цент/(кВт * ч). Солнечная Установка обеспечивает подогрев топлива до 200-290 С. Ис­пользование солнечного подогрева топлива позволило снизить расход топлива, соответствующий 1730 кВт • ч/сут 152]. В ©той установке соединены СЭС модульного типа мощностью 100 кВт и дизельная электростанция мощностью 700 кВт. Установка позволит экономить в год в среднем по 150 тыс. п Жидкого топлива. Дизельная и солнечная электростанции °бъединены сетью электроснабжения и тепловым аккумулятором, в котором запасается тепло за счет поглощения солнечной

энергии и тепло отходящих газов дизельной электростанции. После ввода в строй будут получены данные, необходимые Для дальнейшей разработки подобных установок [49].

Основные характеристики данной системы представлены на вис. 15. В ней предусмотрена совокупность эллиптических следящих зеркал, которые фокусируют падающие солнечные пучц на ЦП, находящийся на вершине башни, расположенной к югу от системы зеркал. Вокруг башни располагаются: система комі бинированной выработки электроэнергии, выключатели, цент­ральный пульт управления, склады и ремонтные мастерские, ай министративный корпус, место для паркования и подъездные пути. Охлаждающая градирня установлена вне периметра терряН тории, на которой размешены зеркала.

Предложенная система настолько гибка, что в состоянии подвергаться модернизации и тем самым — усовершенствовании Система, в которой предполагается реализовать технологии ближайшего будущего, будет базироваться непосредственно на комбинированном цикле Брайтона-Ренкина. Применяя степень сжатия, равную 12, окружающий воздух может быть сжат и ПОІ дан в ИП с температурой 378 С, где нагревается до 816 С. Нагретый воздух подается в камеру сгорания, где путем сжи — г^нуу, органического топлива его температура повышается до 10’ЭЗиС. После этого газ с температурой 1093°С направляет ся на вход газовой турбины с температурой выхлопа из нее 537°С. Выхлопные газы поступают в котел-утилизатор, даю­щий пар с параметрами 510°С, 10,1 МПа. Отработавший пар направляется в конденсатор, в котором поддерживается темпе­ратура 43 С и вакуум 8,5 кПа за счет охлаждения в градирне.

Этот комбинированный цикл обеспечивает достаточно высо­кую эффективность преобразования тепловой энергии в электри­ческую с КПД 43,5%. Выходная электрическая мощность, рав­ная 100 МВт, состоит из 68,4 МВт от ГТУ и 31,6 МВт от паротурбинной установки с учетом расхода на собственные нужды. При отсутствии солнечного излучения во избежание теп­ловых потерь ЦП байпасируется, что уменьшает потребность в органическом топливе.

Энергия, получаемая в паровом хвостовом цикле, ограниче­на перепадом температур в экономайзере котла-утилизатора, что связано с довольно высокой температурой выхлопа газов и соответственно, с большими потерями с уходящими через дымовую трубу газами. Если же использовать двухстушнчатый Даровой цикл, то КПД может быть поднят с 43,5 до 45,3%,

Для более крупных установок, в которых паровая турбина имеет электрическую мощность от 100 МВт и более, можно использовать турбину с промежуточным перегревом пара, что Позволит иметь КПД до 45,8%.

В солнечном приемнике ближайшей перспективы предложе­но установить панели из тепловых труб, наполненных натрием, которые передают тепло, полученное с солнечными лучами, изо-

9-1 ©5

термически воздушному потоку, движущемуся вдоль панелей. Ожидаемый теплосъем в приемнике 1200 кВт/м^, что подтаерж дено в экспериментальных условиях.

Применение тепловых труб дает возможность осуществить конструкцию ЦП с низкой расчетной скоростью воздуха, что сводит к минимуму потери давления на участке компрессор-ка­мера сгорания в цикле Брайтона ^соответственно, повышает КПД цикла.

Известно, однако, что [146] в реактивной авиации уже раз­работаны и применяются камера сгорания и газовая турбина на температуру газов 1316 С. Если разработать и применить воздухоохлаждаемый керамический солнечный приемник для работы при 1093°С, то доля энергии, вырабатываемой сол — печной установкой, может быть увеличена с 56,3 до 7-1,9% от общей выработки в полдень. Доля солнечной энергии Ъ суммар­ной характеризуется отношением повышения температуры воз­духа в ЦП к общему повышению его температуры по всему тракту до входа в газовую турбину. В годовом исчислении та­кая модифицированная станция может обеспечить 41,8%, а станция ближайшего будущего 31,2% от общей выработки; КПД соответственно, составит 47,7% по сравнению с 43,5%.

Поверхность оптической системы составляет 1,5 • 1Сы м что эквивалентно 238,4 МВт тепловой’ мощности, обеспечи­вая тепловую мощность в приемнике 156,4 МВт; КПД пре­образования солнечной энергии составляет 65,6%.

Такая гибридная система комбинированного цикла не тре­бует промежуточного аккумулирования энергии, поскольку ка­мера сгорания газовой турбины и сама турбина обладают хо­рошей маневренностью, что компенсирует флуктуации в пос­туплении солнечной энергии и позволяет получать стабильную выработку и мощность [144].

Результаты анализа эффективности организации долговре­менного аккумулирования энергии, проведенного по предель­ным затратам, показали, что такое аккумулирование экономи­чески неоправдано при темпе роста цен на топливо ниже 12% даже если КПД аккумулятора будет 100%, При’ КПД аккуму­лирования 60% оно экономически нецелесообразно при темпе роста цен на топливо ниже 14%. Авторами [144] делается вывод о нецелесообразности аккумулирования энергии на таких гибридных станциях комбинированного цикла ни с техничес­кой, ни с экономической точки зрения. Тем не менее были изучены технические аспекты аккумулирования энергии для вы­сокотемпературных вариантов проектов, поддержанных Минис — 66

терством енергетики США. Такие проекты могут быть под­ключены к проектам гибридных станций в будущем, если для этого появляется экономически оправданные условия. Включе­ние системы аккумулирования расширит временной диапазон использования солнечной энергии, распространив его и на ве­черние часы, что повысит степень замещения органического топлива. ‘

Отмечаются следующие основные преимущества концепции гибридной системы комбинированного цикла:

— энергетическая эффективность цикла даже для уже прак­тически полученных 1093 С на входе в газовую турбину;

— возможность использования разнообразиях видов топлива, включая жидкие и газообразные производные угля;

— достаточно удобное время, когда необходимо дополнитель­ное количество органического топлива, чтобы компенсировать нехватку солнечной энергии;

— возможность значительного усовершенствований такой станции за счет высокотемпературного приемника и газовой турбины в отличие от парового цикла Ренкина;

— хорошая приспособляемость таких станций для несения средних нагрузок электроэнергетических систем, причем при­ход солнечной энергии приходится на дневные часы, что поз­воляет вытеснить органическое топливо;

— отсутствие проблем принципиального характера при до­водке солнечной части системы, что не окажет влияния на приемлемость такой станции в целом для электроэнергетичес­ких компаний;

— готовность электроэнергетических компаний принять эту концепцию и сделать соответствующие заказы.

Наиболее крупными техническими вопросами при создании Таких гибридных систем являются:

— недостаточно разработанная технология как высокотем­пературного керамического солнечного приемника, так и прием­ника с тепловыми трубами.

— обеспечение работы камеры сгорания в диапазоне тем­ператур 6т 378 до 816 С и снижение выбросов оксидов азо­та при повышении температуры воздуха, что, в частности, мо­жет быть решено при применении каталитического дожигателя.

В ФРГ ряд фирм при поддержке министерства исследова­ний и технологии с 1978 г. разрабатывает проект газоохлаж — Пае мой СЭС (проект GAST ) мощностью 20 МВт с 1950 тел и ос та та ми единичной площадью 52 и двумя приемника­ми солнечного излучения. В дальнейшем предполагается иссле-

дование возможности использования керамического теплообмен­ника и гелия в качестве теплоносителя, что позволит поднять температуру газа до 1000°С и тем самым повысить КПД. Нагретый воздук направляется к двум газовым турбинам мощ­ностью по 7 МВт. У подножия башни высотой 200 м установ­лена паровая турбина, парогенератор которой обогревается от­ходящим от газовых турбин воздухом при температуре 500°С. При отсутствии солнечного излучения воздух нагревается за счет сжигания жидкого или газообразного топлива. Термичес­кий КПД станции составить 38, а общий 18% [147, 149, 153

Следует упомянуть также и о разработке гибридных ТЭС электрической мощностью 100 МВт с циклом Брайтона, с ана­логичными параметрами цикла Брайтона, отличающихся от вы­шеописанной отсутствием паросилового цикла. В этой схеме 53,в% энергии обеспечивается солнечной ступенью. КПД пре—1 образования солнечной энергии в электрическую составляет 43,8%. При среднегодовом коэффициенте нагрузки 48% и коэф фициенте готовности 90% доля солнечной энергии составляет 28,2% в среднем за год. Капитальные затраты (в долларах 1979 г.) составят 1256 цолл./кВт. Стоимость подсистемы ЦП излучения достигает 25,5%, а поля гелиостатов 31% от полной стоимости электростанции. Динамические характерис­тики энергосхемы позволяют обойтись без теплового аккумуля­тора [108]. Разработан также предварительный проект СЭС башенного типа с циклом Брайтона мрщностью 1,5 МВт. При­нята разомкнутая схема с воздушным теплоносителем; парал­лельно с ЦП установлен вспомогательный воздухонагреватель, обеспечивающий стабильную работу станции. На стации мате­матического моделирования было определено количество (28) и оптимальное расположение гелиостатов в северной части по­ля СЭС, а также высота башни (38 м) и апертура ЦП. ЦП — полостного типа, наклоненный на 20° по отношению к вертика­ли. В качестве расчетных актинометрических параметров было принято значение прямой радиации 950 Вт/м^ в полдень при равноденствии. Расчетный срок эксплуатации СЭС 5 лет; по оценкам, проектные и строительные работы займут примерно і 4 года [102, 125].

В США были выполнены исследования перспективных воз­можностей модернизации существующих ТЭС, заключающейся в| включении в их тепловую схему ЦП и создания соответствую­щего поля гелиостатов. Определены 82 ТЭС, расположенные в юго-восточной части страны, для каждой из которых выпол­нялись следующие условия: 1) установленная мощность не пре­восходит 200 МВт; 2) имеется свободная территория в не­посредственной близости от ТЭС, достаточная для размещения гелиооборуцования; 3) использование солнечной энергии позво­лит сэкономить не менее 50% топлива; 4) существуют факто­ры, стимулирующие развитие гепиоэнергетикн. Модернизация этих ТЭС приведет к замещению 520.0 МВт электрической мощности [66].

Для полной или частичной заменит органического топлива на газомазутных ТЭС США предложено оборудовать ряд из них гелиотермическими установками. Потенцильно пригодными для этого считаются ТЭС суммарной мощностью >26 ГВт на юго­западе страны. Оценено, что с помощью таких установок мож­но было бы удовлетворить значительную часть потребностей. химической и нефтеперерабатывающей промышленности І.152],

Гибридные электростанции имеют единую турбогенераторную систему и ряд других общих узлов. В соответствии с про­веденной оптимизацией параметров типовой станции ее элект­рическая мощность должна составлять 50 МВт, причем 75% мощности приходится на солнечную часть (при плотности сол­нечной радиации 900 Вт/м2) . Гелиостатное поле включает 8160 гелиостатов с обшей площадью зеркал 230 тыс. м2. Приемник солнечной радиации размешается на башне высотой 175 ми имеет форму вертикально расположенного цилиндра диаметром 15 и высотой 27 м. Общая стоимость станции (в ценах 1978 г.) составит 32,2 млн. долл., из них на гели­остаты и приемник с башней приходится соответственно,

15,1 и 10,3 млн. долл. [93]. Министерством энергетики США выделены средства на финансирование проекта модифи­кации существующей ТЭС мощностью 120 МВт в штате Ари­зона путем включения в ее схему ЦП концентрированного сол­нечного излучения, контура теплоотвода на основе солевого Теплоносителя и системы теплового аккумулирования. Стои­мость реконструкции около 2,3 млн. долл. [27j.

По оценкам, правительство США должно будет финансировать по 75% капиталовложений для стимулирования работ по соз­данию СТЭС — одного из перспективных направлений в ис­пользовании солнечной энергии, в связи с чем был объявлен конкурс на лучшие проекты таких станций [105].

В США также предложена схема комбинированной электро­станции с конденсационным циклом. При отсутствии солнеч­ной радиации станция работает по обычной схеме, при благо­приятных актинометрических условиях отборы в подогреватели

низкого давления отключаются и питательная вода, минуя подо­греватели, через байпасную линию подается в гепиоприемник.

При номинальной электрической мощности 726 МВт байпасиро — вание части подогревателей низкого давления позволит увеличит} выработку электроэнергии на 3,98%, при этом эффективность преобразования солнечной энергии составит 14%, которая может быть повышена путем увеличения температуры в гепиоприемнике [83].

В литературе анализировались различные способы использо­вания солнечной энергии на ТЭС. На основании некоторых из разработок было признано, что оптимальной является схема электростанции без промежуточного теплового аккумулирования в которой имеется возможность осуществить промперегрев за счет солнечной энергии f J-44] .