Transcript Preuzmi fajl

Skladištenje toplotne energije





Direktno skladištenje toplote u izolovanim čvrstim telima ili fluidima je
moguće čak i pri niskim temperaturama (teorijski T>00 C ), ali se tako
skladištena energija može koristiti samo kao toplota (npr. ugrejano
kamenje ili cigle u ložištima pekara koje se greju jeftinom električnom
energijom preko noći)
Skladištena toplote pri visokoj temperaturi se može koristiti i kao toplota
u industrijskim procesima i za toplotne mašine (npr. Stirlingov motor)
Skladištenje toplote je jako pogodno za zagrevanje prostora
(niskotemperaturna toplota) ali se može koristiti i kod konvencionalnih
TE i NE koje su dominantni instalisani kapaciteti u EES-ima
Istorijat:
- prvo skladištenje pare datira iz 1873. godine
- prvi hidraulički akumulator sa pomerajem potiče iz 1893, a prvi sistem
za regenerativno zagrevanje vode je razvijen 1924. godine u Manhajmu
- razvoj akumulatora sa vlažnom parom pod pritiskom počinje od 1913.
u Nemačkoj (Ruth-ov akumulator), a sistem razvijen 1929. godine
Za skladištenje termalne energije u TE u cilju dobijanja električne
energije nije pogodno koristiti deo energije iz parnog kotla već je
neophodno uzeti energiju u vidu vodene pare (između kotla i turbine)
Slika 7.1: Tehnološka šema TE (sa Rankine-Klausijusovim ciklusom)
1 – parni kotao sa ložištem, generatorom pare, pregrejačem i međupregrejačem,
2 – para na izlasku iz turbine visokog pritiska, 3 – para visokog pritiska na ulazu u
turbinu, 4 – turbina visokog pritiska, 5 – para koja je dodatno zagrejana u
međupregrejaču, 6 – turbina srednjeg pritiska, 7- para na izlazu iz turbine srednjeg
pritiska, 8 – turbina niskog pritiska, 9 – kondenzator (razmenjivač toplote), 10 –
regenerativni zagrejač vode srednjeg pritiska, 11 – kondenzat koji se vraća u kotao







Konvencionalna TE može raditi pod konstantnim uslovima nezavisno od
zahteva potrošnje ako se obezbedi skladištenje energije u samoj TE
Ako se primeni skladištenje toplotne energije, parni kotao može da radi
sa konstantnom snagom koja odgovara srednjoj izlaznoj snazi TE: u
toku noći kada je potrošnja manja vrši se skladištenje toplotne energije
u vidu vodene pare, a zatim se ta energija koristi u toku dana za
proizvodnju električne energije za pokrivanje potrošnje
U modernim TE stepen iskorišćenja Rankine-Klauzijusovog ciklusa se
povećava tako što se jedan deo pregrejane pare izdvaja iz tubine i
koristi se za zagrevanje vode koja se vraća u kotao (regenerativno
zagrevanje vode)
Toplota dobijena iz izdvojene pregrejane pare iz turbine se može koristiti
za napajanje toplotnih potrošača (toplana-elektrana) ili za skladištenje u
vidu tople vode, time bi se smanjila izlazna snaga TE
Kada je potrebno snaga TE se može povećati isključenjem toplotnih
potrošača i korišćenjem skladištene toplote za dodatno zagrevanje kotla
U ređim slučajevima para iz turbine se može direktno voditi toplotnom
potrošaču, u slučaju gubitka pare mora se dolivati vodi u kondenzator
Velike TE-toplane se mogu koristiti za zagrevanje čitavih naselja, pri
tome se mogu koristiti podzemna skladišta tople vode
Slika 7.2: Podzemno skladište toplote: zona B je zona skladištenja toplote
(zagreva se voda iz zone A prolaskom kroz izmenjevač toplote), u periodima sa
deficitom toplote tok energije je suprotan (skladište daje toplotu)

Osnovna veličina prethodnog sistema za skladištenje toplote je količina
vode koja se može preneti između podzemnog skladišta i površine:
QK
k  h  dP
r 
  ln  1 
 r2 
gde su:
Q – količina vode u vremenu (protok)
K – konstanta proporcionalnosti
k – permeabilnost tla (propustljivost u odnosu na vodu)
h – debljina sloja
dP – razlika pritiska između spoljašnjeg i unutrašnjeg skladišta
μ – viskoznost vode
r1 i r2 – poluprečnici cevi spoljašnjeg i unutrašnjeg sistema za skladištenje






Solarni sistemi za grejanje se koriste kao dodatni izvori toplote (kao
osnovni služe gasni, dizel ili električni kotlovi) ili kao osnovni izvori
toplote (u područjima sa dovoljnom količinom Sunčevog zračenja)
Osnovni deo solarnog sistema:
- solarni termalni kolektor
- rezervoar tople vode sa izmenjivačem toplote
- solarna jedinica sa pumpom i regulacijom
- razvod sa odgovarajućim radnim fluidom
Kao izolacija za rezervoar se obično koristi mineralna ili staklena vuna
koja može da obezbedi višednevno skladištenje toplote
solarni kolektor ili prijemnik (izmenjivač toplote)
osnovni delovi
- prozirni poklopac (veliki koeficijent transmisije τ)
- prijemnik toplote (veliki koeficijent apsorpcije α)
tipovi solarnih kolektora
- pločasti
- cevni (vakuumski)
- koncentrirajući
Slika 7.3: Solarni sistem za pripremu potrošne tople vode

Centralni prijemnik ili solarni toranj
Slika 7.4: Solarna termalna elektrana koja koristi princip centralnog
prijemnika
Medijumi za skladištenje toplote





Postoje dva načina skladištenja toplote:
- skladištenje senzibilne toplote, bazirano na toplotnom kapacitetu
medijuma za skladištenje
- skladištenje latentne toplote, bazirano na energiji koja je u vezi sa
promenom stanja medijuma (topljenje, isparavanje i promena strukture)
Energija se može skladištiti kao senzibilna toplota zahvaljujući porastu
temperature medijuma za skladištenje, voda je pogodna za ovu svrhu
zbog toga što je jeftina i zato što ima veliki toplotni kapacitet (4180
J/(kg0C)), ipak, zbog niskih tačaka topljenja i ključanja, voda se može
koristiti kao medijum za skladištenje samo između 50C i 950C
Energija korišćena pri promeni temperatature od 500C je reda 104 J/kg
za stene, beton i gvozdenu rudu
Pri skladištenju toplote sa ekstremno visokim temperaturama (>10000C)
javljaju se problemi u vezi sa korišćenim materijalima: korozija, topolotni
udari i drugi problemi pri prenosu toplote
Voda pri visokoj temperaturi ima prednost što se može direktno koristiti
u ciklusima toplotnih mašina bez dodatne opreme kao što su izmenjivači
toplote ali zahteva sud pod pritiskom za temperature veće od 1000C
Tabela 7.1: Poređenje medijuma za skladištenje toplote

Za skladištenje toplote korišćenjem senzibilne i latentne toplote mogu
da se koriste sledeće supstance i materijali:
- voda pri niskoj temperaturi i niskom pritiskom (50C < T < 950C)
- voda pri visokoj temperaturi i visokom pritisku
- visokotemperaturna ulja
- istopljene soli
- stene ili materijali koji zahtevaju ulje ili istopljenu so kao medijum za
prenos toplote

Materijali za skladištenje latentne toplote su materijali koji se tope i
smrzavaju na određenim temperaturama i imaju velike latentne toplote
očvršćavanja i kristalizacije
Skladištenje latentne toplote ima prednost u odnosu na skladištenje
senzibilne toplote zbog veće gustine skladištene energije po stepenu
temperaturne promene u ograničenom opsegu temperatura oko tačke
očvršćavanja



Načini promena stanja materijala dodavanjem ili oduzimanjem toplote:
topljenje, isparavanje, promene rešetkaste strukture ili promena
sadržaja vode koja je vezana u kristalnoj strukturi
Neorganske soli (npr. fluoridi) imaju velike toplote očvršćavanja ali
njihova visoka temperatura topljenja prouzrokuje probleme sa
korozijom, u cilju snižavanja temperatura topljenja predložene su
mešavine soli
Tabela 7.1: Tačke topljenja mešavina fluorida






Hidratne soli imaju temperature promene stanja koje su pogodne za
skladištenje toplote, međutim njihova promena stanja je komplikovanija
od običnog topljenja pošto se javlja čvrst ostatak u razblaženom
rastvoru
Npr. Glauber-ova so Na2SO4·10H2O se razlaže pri 320C u zasićen vodeni
rastvor NaSO koji sadrži i nehidrozan ostatak Na2SO4, pri čemu se
oslobađa 252 kJ/kg
Metalni hidridi su takođe predložene za skladištenje toplote, njihova
promena stanja se sastoji u apsorpciji vodonika u rešetki metala ili u
leguri metala:
metal + vodonik ↔ hidrid + toplota
Postoji interesovanje da se za skladištenje energije koristi sledeća
visokotemperaturna hemijska reakcija:
CO  3H2  CH4  H2O
U toku minimima potrošnje, toplota iz primarnog izvora se koristi u
reaktoru-reformeru gde se skladišteni CH4 i H2O konvertuju u CO i H2
koji se smeštaju u poseban sud pri ambijentalnoj temperaturi (pri kojoj
se ne odvija suprotna reakcija)
U toku vršnog opterećenja, pokreće se suprotna reakcija a toplota koja
se oslobađa se koristi u parnom ciklusu u TE
Centralno skladište





Glavni problemi kod projektovanja skladišta toplote su:
- nalaženje pogodnog načina za brzi prenos toplote do i od jedinice za
skladištenje toplote
- smanjenje toplotnih gubitaka tako da vreme u toku koga bi se toplota
izgubila bude znatno duže od vremena čuvanja toplote
Gubici toplote iz centralnog skladišta zavise od površine kontejnera sa
medijumom za skladištenje toplote a ukupni kapacitet skladišta zavisi od
zapremine kontejnera
Površina je proporcionalna kvadratu dimenzija kontejnera, a zapremina
je proporcionalna trećem stepenu dimenzija kontejnera: velika skladišta
zahtevaju relativno manje izolacije nego mala skladišta (proporcionalno
u odnosu na veličinu skladišta)
Kod malih skladišta veći je temperaturni koeficijent tako da su veći i
relativni gubici toplote u okolni prostor
Veličina skladišta je takođe bitna, tako da se ispituju mogućnosti
podzemog skladištenja toplote za potrebe zajednice na dužem
vremenskog periodu
Slika 7.5: Stacionarna raspodela temperature T/Tc u funkciji rastojanja od
centra sferičnog skladišta toplote u odnosu na referentnu temperaturu Tc za
1: R=10 m, 2: R=30 m, 3: R=50 m, 4: R=75 m



Čelični kontejneri
- pogodni za skladištenje senzibilne toplote u čvrstim telima i tečnostima
za prenos toplote pri atmosferskom pritisku
- medijumi za skladištenje toplote mogu biti pakovani komadi stena, ulje
ili istopljene soli
- mogući su i čelični kontejneri pod pritiskom (iznad 10 bara) ali su skupi
i manjih su dimenzija
Ojačani betonski kontejner pod pritiskom
- ovakvi kontejneri su korišćeni kod prvih nuklearnih reaktora
- beton zahteva hlađenje i ojačanje čeličnim šipkama da bi se štitio od
visoke temperature, sistem za hlađenje je skup i povećava gubitke
- betonski kontejner je jeftiniji po kubnom metru od čeličnog kontejnera
- postoji mogućnosti skladištenja visoktemperaturne vode
Ojačani kontejneri od kaljenog gvoždja
- koristi se gvozdeni lukovi koji čine više cilindrične slojeve
- zahteva se spoljna termička izolacija
- jeftiniji od betonskih i čeličnih kontejnera



Podzemni kontejneri
- imaju oblik iskopane pećine u čvrstim stenama sa čeličnom i
betonskom zaštitom od naprezanja
- jeftino skladište, sa mogućnošću skladištenja velikih količina energije
- mogućnost skladištenja visokotemperaturne vode, koristi se vazduh
pod pritiskom između kontejnera i stena kao zaštita od naprezanja
Skladištenje visokotemperaturne vode u podzemnim slojevima
- porozni slojevi šljunka ili peska natopljeni vodom koji se nalaze između
nepropusnih slojeva
- mogućnost skladištenja velikih količina energije na dnevnom,
nedeljnom ili čak sezonskom nivou
- skladištenje toplote u svrhe dobijanja električne energije bi bilo skupo i
nepraktično, s obzirom na relativno nisku temperaturu skladištene vode
Medijumi za skladištenje toplote mogu biti:
- zasebni topli ili hladni rezervoari
- rezervoar u kome topli fluid (ulje ili so) pliva na vrhu hladnog fluida a
granica između njih se pomera kako se rezervoar puni i prazni toplotom
- dvo-medijumski rezervoar sa pakovanim komadima stena i sa uljem (ili
rastopljnom solju između) koje se upumpava kao fluid za prenos toplote
Proizvodnja električne energije iz skladištene toplote


Načini konverzije skladištene tolplotne energije u električnu energiju:
- brzim pretvaranjem visokotemperaturne vode u paru i nisko
temperaturne vode u paru (smanjenjem pritiska) i njihovim prolaskom
kroz tubinu visokog ili srednjeg pritiska
- korišćenjem tople vode za zagrevanje napojne vode čime se smanjuje
regenerativno zagrevanje vode iz turbine i povećava snaga turbine
- korišćenjem pare pod pritiskom za transfer toplote do napojne vode ili
za transfer toplote za dobijanje pregrejane pare u termodinamičkom
ciklusu
Prema načini rada postoje sledeće vrste kontejnera vodene pare ili
akumulatora:
- akumulator sa varijabilnim pritiskom
- ekspanzioni akumulator
- akumulator sa pomerajem

Akumulator sa promenljivim pritiskom (Ruth-ov akumulator)
- kada je akumulator napunjen, negovu celokupnu zapreminu čini
zasićena voda sa malim jastukom od zasićene pare iznad
- u režimu pražnjenja para se izvlači sa vrha ali pošto se pritisak
smanjuje onda se deo vode pretvara u paru
- akumulator se puni tako što se ubacuje para i meša se sa vodom
Slika 7.6: Akumulator sa promenljivim pritiskom

Ekspanzioni akumulator
- kada je akumulator napunjen, negovu celokupnu zapreminu čini
zasićena voda sa malim jastukom od zasićene pare iznad
- u režimu pražnjenja voda se izvlači sa dna pa se smanjuje pritisak
- para se dobija iz eksternih isparivača gde se voda pretvara u paru
- za punjenje akumulatora treba dodavati vodu i paru
Slika 7.7: Ekspanzioni akumulator sa brzim isaprivačem

Akumulator sa pomerajem
- kada je napunjen termalnom energijom, sadrži toplu vodu na željenoj
temperaturi, kada je ispražnjen sadrži hladnu vodu
- voda se ubacuje na vrhu pri punjenju a hladna voda se odvodi sa dna
prilikom pražnjenja
- pošto topla voda ima manju gustinu od hladne, ona pliva na vrhu, oštar
temperaturni gradient odvaja toplu od hladne vode (zavisi samo od
toplotne provodnosti vode, drugi načini mašanja vode su sprečeni)
- prilikom pražnjenja, jedan ili više isparivača se koriste za generisanje
pare za turbine
- odvedena voda i para se mogu ponovo vratiti u akumulator
- u toku punjenja, para se meša sa hladnom vodom da bi se postigla
željena temperatura vode
- postoji mogućnost da se poveća količina napojne vode kako bi se
nadoknadilo odvođenje pare
- medijum za skladištenje toplote ne mora da bude topla voda, u tom
slučaju moraju da se koristi izmenjivač toplote da bi se obezbedila topla
voda za proizvodnju pare
Slika 7.8: Akumulator sa pomerajem