Тепловые накопители: 10 самых лучших теплоаккумуляторов для отопления – Теплоаккумулятор своими руками – как сделать буферную емкость

Статический тепловые накопители — гараж конструктор для взрослых

тепловой накопитель — он же теплонакопитель, накопитель тепла, аккумулятор тепла, аккумуляционный нагреватель, электрический накопитель тепловой энергии, теплоаккумулятор, тепловой аккумулятор

 

1. Характеристики статических тепловых накопителей

2. Составные части

3. Описание работы

4. Улучшенное управление — система Dual Sensor

 

В статическом тепловом накопителе основной частью является аккумуляционный блок, в котором размещены ТЭНы. Между аккумуляционным блоком и корпусом находится слой термической изоляции, чтобы обогреватель был безопасный в использовании, и была возможность регулирования отдаваемого тепла. Тепло в этом обогревателе отдается с помощью излучения и свободной конвекции.

1. Характеристики статических тепловых накопителей ADS с автоматическим управлением:

решетка окрашена термостойкой краской автоматическое управление заслонкой датчик безопасности с ручным сбросом терморегулятор. В модели ADS-84 данное управление автоматическое, регулятор выходящего воздуха отсутствует датчик заряда DUAL SENSOR теплоизоляция Microtherm G 12мм(вермикулит и экологически чистая фибра) передний, задний и боковой воздушные каналы магнезитовые блоки большой теплоемкости супертонкие, всего 16,5 см оснащены деталями из твердого пластика регуляторы заряда и разряда

Модель ADS-84 ADS-124 ADS-168 ADS-208 ADS-2412 ADS-2812 ADS-3216 Мощность (Вт) 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 Емкост

Накопление энергии — Википедия

Накопление энергии — аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей. Типичным примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона.очевидный пример вода

Новейшая история[править | править код]

В двадцатом веке электричество вырабатывалось, прежде всего, за счет сжигания ископаемого топлива. Проблемы с транспортировкой энергии, загрязнением воздуха и глобальным потеплением к росту использования возобновляемых источников энергии — таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Энергия ветра зависит от климатических условий и погоды. Солнечная энергия зависит от географического положения, облачного покрова. Она доступна только в дневное время, в то время, как спрос зачастую достигает пика после захода солнца. Интерес к накоплению энергии из этих источников растет, поскольку именно они в последнее время генерируют всё большую часть мирового энергопроизводства.

Использование электричества вне электросетей в XX веке было нишевым рынком, но в XXI веке оно значительно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные батареи получают все более широкое распространение в сельской местности. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики, а не местоположения. Однако в энергоснабжении транспорта сжигание топлива по-прежнему преобладает.

Схема[править | править код]

См. также: Схема аккумулирования энергии

Следующий список включает виды аккумулирования энергии:

• Хранение ископаемого топлива
• Механическое

• Электрический, электромагнитный

• Биологический

• Электрохимический (Система накопления энергии Батареи, BESS)

• Тепловой
  • Тепловой аккумулятор
  • Криогенные системы хранения, Аккумулирование энергии жидкого воздуха (LAES)
  • Криогенный двигатель Дэрмана
  • Эвтектическая система
  • Кондиционер хранения льда
  • Соль в качестве накопителя энергии
  • Фазовый переход вещества
  • Сезонное хранение тепловой энергии
  • Солнечный водоем
  • Паровой аккумулятор
  • Хранение тепловой энергии (Общее)

Механическое накопление[править | править код]

Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту с использованием накачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха и маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, а возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.

Гидроэлектричество[править | править код]

Основная статья: Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанции с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и высвобождается при высокой потребности. Эффект аналогичен накоплению с перекачкой, но без сопутствующих потерь. Хотя гидроэлектростанция напрямую не накапливает энергию из других источников, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в период избытка электроэнергии, полученной из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм аккумулирования энергии, поскольку меняются только сроки её генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут

[1].

Гидроаккумулирующая электростанция[править | править код]

Основная статья: Гидроаккумулирующая электростанция

Во всем мире гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее крупной формой накопления энергии в больших масштабах. Энергетическая эффективность ГАЭС варьируется, на практике, от 70 % до 80 %^[2][3][4][5].

В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.

Технология накопления энергии сжатого воздуха[править | править код]

Пневматический аккумулятор использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре^[6].

Пневматический аккумулятор

может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.

Сжатие воздуха создает тепло: при сжатии воздух теплеет. Расширение, со своей стороны требует тепловой энергии. Если не добавлять дополнительной энергии, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, может аккумулироваться и использоваться во время расширения, эффективность значительно повышается^[7].

Технология накопления энергии маховиком[править | править код]

см. также: супермаховик, маховик

Накопитель энергии маховика (FES) работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются и устройства, которые непосредственно используют механическую энергию^[8].

Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20000 до более 50000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.

Системы FES имеют относительно долгий срок службы (длятся десятилетия, практически не требуя технического обслуживания

[9]; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от 10 ⁵ до 10 ⁷ циклов использования), высокая удельная энергия (100—130 Вт · ч/кг или 360—500 кДж/кг) и удельная мощность^[10].

Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс[править | править код]

Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.

Методы включают использование рельсов^[11][12] и кранов^[13] для перемещения бетонных грузов вверх и вниз, использование высотных плавучих платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки для подъёма и опускания твердых масс.

Накопление тепловой энергии[править | править код]

Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это временное хранение или отвод тепла.

Аккумулированная тепловая энергия[править | править код]

Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.

Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ) позволяют использовать тепло или холод спустя месяцы после того, как оно было получено из природных источников или отходов. Аккумуляция может происходить в водоносных слоях, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллические породы, в выстланных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. Технологии СНТЭ часто имеют срок окупаемости в диапазоне от четырёх до шести лет. Примером является сообщество солнечных батарей Drake Landing в Канаде, для которого 97 % круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (СНТЭ) является поддерживающей технологией^[14]. В Браструпе (Дания) система коммунального солнечного теплоснабжения, также использует СНТЭ при температуре хранения 65° C (149° F). Тепловой насос, который работает только при наличии избыточной энергии ветра в единой энергосети, используется для повышения температуры до 80° C (176° F) для распределения. Когда избыточного электричества, генерируемого ветром, нет, используется газовый котел. 20 % процентов тепла Браструпа имеют солнечное происхождение.^[15]

Скрытое накопление тепловой энергии[править | править код]

Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом (PCM). Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.

Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала (PCM). Изменение фазы — это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы PCM обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.

Электрохимический[править | править код]

Аккумуляторная батарея[править | править код]

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.

Общие химические составы аккумуляторной батареи:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: свинцово-кислотные аккумуляторы занимают самую большую долю рынка аккумуляторов. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружают в электролит с разбавленной серной кислотой (H ₂ SO ₄). В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, так как на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды.
  • Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Эксплуатация требует минимального труда, его стоимость низкая. Доступная энергетическая ёмкость батареи подвержена быстрой разрядке, что приводит к малому сроку службы и низкой плотности энергии^[16].

Проточная батарея[править | править код]

Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.

Проточная батарея технически близка как топливному элементу, так и элементу электрохимического аккумулятора. Коммерческие приложения предназначены для длительного полупериода хранения, например, для резервного энергоснабжения.

Суперконденсатор[править | править код]

Основная статья: Суперконденсатор

Суперконденсаторы, также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, являются общими терминами для семейства электрохимических конденсаторов, которые не имеют обычных твердых диэлектриков. Ёмкость определяется двумя параметрами аккумуляции: двухслойная емкость и псевдоёмкость^[17][18].

Суперконденсаторы ликвидируют разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями. Они хранят наибольшее количество энергии на единицу объёма или массы (плотности энергии) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад / 1,2 В^[19], до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов, но выдают или принимают менее половины мощности в единицу времени (плотность мощности)^[20].

В то время, как суперконденсаторы имеют удельную энергию и удельные плотности энергии примерно 10 % в сравнении с батареями, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они будут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем батареи.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений, включая:

• Низкий ток питания для резервного копирования памяти в статической оперативной памяти (SRAM)
• Питание для автомобилей, автобусов, поездов, кранов и лифтов, в том числе рекуперация энергии при торможении, кратковременное накопление энергии и подача питания в импульсном режиме

Другие химические вещества[править | править код]

Технология Power-to-Gas (P2G)[править | править код]

Технология Power-to-Gas — это технология, которая преобразует электричество в газообразное топливо, к примеру, водород или метан. Известны три метода использования электричества для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза.

При первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа. Второй метод заключается в реакции водорода с диоксидом углерода для получения метана, с использованием реакции метанирования (такой, как реакция Сабатье) или биологического метанирования, что приводит к дополнительной потере преобразования энергии на 8 %. Затем метан можно подавать в природную газовую сеть. Третий метод использует выходной газ из генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как модификатор биогаза смешан с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Водород[править | править код]

Основная статья: Хранение водорода

Водород тоже можно рассматривать как накопитель энергии: электричество в этом случае производится посредством водородного топливного элемента.

Для синтеза килограмма водорода требуется около 50 кВт⋅ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии является критически важной.

Подземное хранение водорода производится в подземных пещерах, соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях.^[21]Imperial Chemical Industries в течение многих лет хранит в подземных пещерах большие количества газообразного водорода без каких-либо проблем. Европейский проект Hyunder указал в 2013 году, что для аккумуляции энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребует 85 пещер.

Метан[править | править код]

Основная статья: Синтетический природный газ

Метан — простейший углеводород с молекулярной формулой СН ₄. Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Имеется полноценная инфраструктура его хранения и сжигания (трубопроводы, газометры, электростанции).

Синтетический природный газ (синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Водород реагирует с диоксидом углерода в реакции Сабатье, производя метан и воду. Метан может храниться, а затем использоваться для производства электроэнергии. Полученная вода рециркулируется, уменьшая потребность во внешних её источниках. На стадии электролиза, кислород сохраняется для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции.

При сгорании метана образуются углекислый газ (CO₂) и вода. Диоксид углерода может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство метана, хранение и сгорание перерабатывают продукты реакции.

Биотопливо[править | править код]

Основная статья: Биотопливо

Ископаемое топливо могут заменять различные виды биотоплива, такие как биодизельное топливо, растительное масло, спиртовое топливо или биомасса. Химические процессы могут превращать углерод и водород (в составе угля, природного газа, растительной и животной биомассы и органических отходов), в простые углеводороды, подходящие в качестве замены для традиционных углеводородных видов топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша, метанол, диметиловый эфир и синтез-газ. Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива из угля.

Алюминий[править | править код]

Рядом исследователей в качестве энергонакопителя был предложен алюминий. Электрохимический эквивалент алюминия почти в четыре раза больше, чем у лития. Энергия может извлекаться из алюминия путем его взаимодействия с водой с образованием водорода. Однако для реакции с водой алюминий должен быть отделен от его естественного оксидного слоя. Это процесс, который требует измельчения, а также химических реакций с едкими веществами или сплавами. Побочным продуктом реакции с образованием водорода является оксид алюминия, который может быть переработан обратно в алюминий в рамках процесса Холла-Херулта, делая реакцию теоретически возобновляемой. Если процесс Холла-Херулта запускается с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий может использоваться для хранения энергии, причем у такого процесса эффективность более высока, чем при прямом солнечном электролизе^[22].

Бор, кремний и цинк[править | править код]

В качестве альтернативных накопителей энергии рассматриваются также бор^[23], кремний и цинк^[24].

Другие химические вещества[править | править код]

Органическое соединение норборнадиен, в реакции превращения в квадрицикл, при воздействии света, сохраняет солнечную энергию, в форме энергии химических связей. Функционирующий образец был разработана в Швеции и позиционируется как молекулярная солнечная тепловая система^[25].

Электрические методы[править | править код]

Конденсатор[править | править код]

Основная статья: Электрический конденсатор

Конденсатор — это пассивный двухполюсный электрический компонент, используемый для электростатического накопления энергии. На практике конденсаторы сильно различаются, но все они содержат, по меньшей мере, два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком (изолятором). Конденсатор может накапливать электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие виды перезаряжаемой системы накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей (это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти). В среднем конденсаторы имеют плотность менее 360 джоулей на килограмм, в то время как у обычной щелочной батареи этот параметр составляет порядка 590 кДж / кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между пластинами. Благодаря разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле проходит через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательном заряде (-Q) на другой пластине. Если аккумулятор подключен к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток. Однако если через выводы конденсатора подается напряжение, может возникать ток смещения.

На практике диэлектрик между пластинами пропускает небольшое количество тока в виде утечки и имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя. Однако эффект восстановления диэлектрика после пробоя высокого напряжения может привести к созданию нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов^[26][27].

Сверхпроводящие индуктивные накопители[править | править код]

Система хранения сверхпроводящей магнитной энергии — сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) хранит энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже её сверхпроводящей критической температуры. Типичная система СПИН включает в себя сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования и холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не распадается, и магнитная энергия может храниться бесконечно долго.

Накопленная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель обеспечивает примерно 2-3 % потерь энергии в каждом направлении. СПИН теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии, по сравнению с другими методами хранения энергии.

Из-за энергетических требований охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода, СПИН используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии Эта система хранения применяется так же в балансировке сетки.

Мельницы[править | править код]

Классическим применением накопления энергии до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или приводной техники. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены, чтобы хранить и выпускать воду (и потенциальную энергию, которую она содержит), когда требуется.

Домашнее накопление энергии[править | править код]

Ожидается, что накопление энергии в домашних условиях станет все более распространенным явлением, учитывая растущую важность распределенного производства возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и значительную долю потребления энергии в жилых зданиях^[28]. Чтобы повысить самообеспеченность (самостоятельность) на 40 % в доме, оборудованном фотоэлектрическими приборами, необходимо накопление энергии^[28]. некоторые производители производят аккумуляторные батареи для хранения энергии, как правило, для удержания избыточной энергии солнечной/ветровой генерации. Сегодня для хранения энергии в домашних условиях литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо более высокую производительность^[29].

Tesla Motors выпускает две модели Tesla Powerwall. Одна из них представляет собой версию на 10 кВт⋅ч в неделю, а другая — версию на 7 кВт⋅ч для применения с ежедневным циклом^[30]. В 2016 году ограниченная версия, Telsa Powerpack 2, стоила 398 долларов США / кВт⋅ч для хранения электроэнергии, стоимостью 12,5 цента / кВт⋅ч (средняя цена на энергосистему США), что положительно сказывалось на рентабельности инвестиций, если цены на электроэнергию не превышали 30 центов / кВт⋅ч^[31].

Компания Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система сохраняет 1,2 кВт⋅ч энергии и 275 Вт / 500 Вт выходной мощности^[32].

Аккумуляция энергии ветра или солнца с использованием накопителя тепловой энергии, хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем батареи. Простой 52-галлонный электрический водонагреватель может хранить примерно 12 кВт⋅ч энергии для добавления горячей воды или отопления помещения^[33].

Электросеть и электростанции[править | править код]

Накопление возобновляемой энергии[править | править код]

Самый большой запас возобновляемой энергии предоставляется сейчас гидроэлектростанциями. Большое водохранилище около гидроэлектростанции может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухим и влажным сезонами. Хотя гидроэлектростанция не накапливает напрямую энергию от прерывистых источников, она уравновешивает энергосистему, удерживая воду, когда энергия генерируется солнечным или ветровым излучением.

Важнейшее направление накопления энергии — гидроаккумулирующие электростанции. Такие регионы, как Норвегия, Уэльс, Япония и США эксплуатируют географические особенности, используя электрические насосы для заполнения резервуаров. При надобности вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество^[34].

Среди видов энергонакопителей, используемых при производстве электроэнергии, следует отметить гидроэлектростанции с насосным накопителем, аккумуляторные батареи, тепловые энергонакопители (включая расплавленные соли), которые могут эффективно хранить и высвобождать очень большое количество тепловой энергии^[35], и хранилища энергии сжатого воздуха, маховики, криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки.

Избыточная мощность также может быть преобразована в метан (реакция Сабатье) с запасом в сети природного газа^[36][37].

В 2011 году Администрация энергетики Бонневилля (северо-запад США) разработала экспериментальную программу по поглощению избыточного ветра и гидроэнергии, генерируемых ночью или во время штормовых периодов, сопровождаемых сильными ветрами. При наличии центрального управления бытовые приборы поглощают избыточную энергию, нагревая керамический кирпич в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру в резервуарах с подогревом горячей воды. После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и подачу горячей воды по мере надобности. Экспериментальная система была создана с учётом последствий сильного шторма 2010 года, который довел ситуация до перепроизводства возобновляемой энергии а такой степени, что все обычные источники энергии были закрыты, или в случае АЭС — редуцированы до минимально возможного рабочего уровня, оставляя большую область почти полностью на возобновляемых источниках энергии.

Ещё один продвинутый метод, который использовался в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, получаемой от солнца, а затем преобразует её и отправляет в виде электрической энергии. Система перекачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы, которые нагреваются солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество производится путем превращения воды в пар, который подается в турбины.

1. ↑ Robert A. Huggins. Energy Storage. — Springer Science & Business Media, 2010-09-01. — 424 с. — ISBN 9781441910233.
2. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
3. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
4. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (1 августа 2014). Дата обращения 16 марта 2019.
5. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (5 сентября 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
6. ↑ Wald, Matthew L.. Pushed Along by Wind, Power Storage Grows (англ.), The New York Times (27 July 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
7. ↑ Gies, Erica. A Storage Solution Is in the Air (англ.), The New York Times (1 October 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
8. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (16 мая 2011). Дата обращения 16 марта 2019.
9. ↑ Flywheels: Spinning into Control (англ.). sciencewriter.org (22 August 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
10. ↑ Next-gen Of Flywheel Energy Storage | Product Design and Development (неопр.). web.archive.org (10 июля 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
11. ↑ Nathanael Massey,ClimateWire. Energy Storage Hits the Rails Out West (англ.). Scientific American. Дата обращения 16 марта 2019.
12. ↑ Energy-Storing Train Gets Nevada Approval (англ.). Fortune. Дата обращения 16 марта 2019.
13. ↑ Akshat Rathi, Akshat Rathi. Stacking concrete blocks is a surprisingly efficient way to store energy (англ.). Quartz. Дата обращения 16 марта 2019.
14. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (4 марта 2016). Дата обращения 16 марта 2019.
15. ↑ Braedstrup Solar Park in Denmark is now a reality! (неопр.). web.archive.org (26 января 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
16. ↑ Liangzhong YAO, Bo YANG, Hongfen CUI, Jun ZHUANG, Jilei YE. Challenges and progresses of energy storage technology and its application in power systems (англ.) // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. — 2016-10-01. — Vol. 4, iss. 4. — P. 519—528. — ISSN 2196-5420. — doi:10.1007/s40565-016-0248-x.
17. ↑ ScienceDirect (неопр.). www.sciencedirect.com. Дата обращения 16 марта 2019.
18. ↑ Сосенкин В.е, Михалин А.а, Вольфкович Ю.м, Бограчев Д.а. УГЛЕРОДНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ С БОЛЬШОЙ ПСЕВДОЕМКОСТЬЮ ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ // Электрохимия. — 2012. — Т. 48, вып. 4. — ISSN 0424-8570.
19. ↑ Capacitor cells — ELTON (неопр.). web.archive.org (23 июня 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
20. ↑ B. E. Conway. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. — Springer US, 1999-04-30. — 734 с. — ISBN 9780306457364.
21. ↑ (PDF) Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: A brief overview (англ.). ResearchGate. Дата обращения 16 марта 2019.
22. ↑ Current Efficiency, Specific Energy Consumption, Net Carbon Consumption — The Aluminum Smelting Process (неопр.). www.aluminum-production.com. Дата обращения 16 марта 2019.
23. ↑ Boron: A Better Energy Carrier than Hydrogen? (28 February 2009) (неопр.). www.eagle.ca. Дата обращения 16 марта 2019.
24. ↑ The Ergosphere: Zinc: Miracle metal? (неопр.). Дата обращения 16 марта 2019.
25. ↑ Liquid storage of solar energy: More effective than ever before (англ.). ScienceDaily. Дата обращения 16 марта 2019.
26. ↑ A. Belkin, A. Bezryadin, L. Hendren, A. Hubler. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown // Scientific Reports. — 04 20, 2017. — Т. 7, вып. 1. — С. 932. — ISSN 2045-2322. — doi:10.1038/s41598-017-01007-9.
27. ↑ Y. Chen, H. Li, F. Lin, F. Lv, M. Zhang. Study on Self-Healing and Lifetime Characteristics of Metallized-Film Capacitor Under High Electric Field // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2012-8. — Т. 40, вып. 8. — С. 2014—2019. — ISSN 0093-3813. — doi:10.1109/TPS.2012.2200699.
28. ↑ ^{1 2} Lead–acid batteries coupled with photovoltaics for increased electricity self-sufficiency in households 

Накопитель энергии – широкий класс устройств, механика работы части из которых неочевидна и не знакома среднестатистическому индивидууму

Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

• главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
• в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
• при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

• в период максимальной солнечной активности электроэнергия, которую производит солнечная станция, не нужна, потребности городов и энергосети, в общем, малы;
• электричество направляется на работу насосов, которые закачивают воду в огромный искусственный резервуар;
• в темное время суток, если нужно направить дополнительный поток электрической мощности в общую систему, включается механика гидроэлектростанции. Потенциал накопленной воды используется для работы турбин.

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

• во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
• в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

• водонагреватели, построенные на вторичной схеме передачи тепла;
• расширительные емкости солнечных коллекторов, которые не допускают перегрева теплоносителя и стабилизируют режим работы батареи;
• теплоаккумулятор может строиться на принципе фазового перехода. Расплав нагревается до высокой температуры, при этом теплоноситель переходит из твердого состояния в жидкое.

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

• энергию нужно использовать быстро. С течением времени содержимое накопителя просто теряет энергию, отдавая ее в окружающую среду;
• построенные на фазовом переходе накопители сложны в эксплуатации. Здесь наблюдается изменение объема: если жидкость переводят в пар, приходится бороться с огромным давлением.

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

• накапливать большое количество энергии;
• работать большими значениями напряжения;
• гарантировать безопасность использования;
• обеспечить малые размеры накопителя.

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

• в результате взаимодействия пластины металла и кислоты образуются заряженные ионы;
• в ходе работы соли осаждаются на пластине из катализатора;
• по мере понижения насыщенности электролита аккумулятор истощается – уровень выдачи энергии снижается.

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

‘; blockSettingArray[0][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[0][«elementPlace»] = 2; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1][«minSymbols»] = 0; blockSettingArray[1][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[1][«text»] = ‘

‘; blockSettingArray[1][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[1][«elementPlace»] = 0; blockSettingArray[3] = []; blockSettingArray[3][«minSymbols»] = 1000; blockSettingArray[3][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[3][«text»] = ‘

Аккумулирование тепловой энергии: за этим

Аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) происходит благодаря широкому спектру технологий. В зависимости от конкретной технологии, оно дает возможность хранить и использовать избыточную тепловую энергию в течение нескольких часов, дней или даже нескольких месяцев в масштабах, характерных для использования отдельными пользователями, строительства (в том числе – крупномасштабного), использования в рамках округа, города или региона. Примеры использования – балансировка спроса на энергию между дневным и ночным временем, хранение летнего тепла для отопления зимой или зимнего холодного воздуха для кондиционирования воздуха. Среди средств хранения – емкости для хранения воды или льда, массы материнской почвы или коренная порода, связанная с теплообменниками с помощью буровых скважин, глубоколежащие водоносные горизонты, находящиеся между непроницаемыми слоями; мелкие ямы, заполненные гравием и водой и изолированные в верхней части; также средствами хранения могут быть эвтектические растворы и солевые грелки.

Другими источниками тепловой энергии для хранения могут быть тепло или холод, произведенный тепловыми насосами во внепиковые периоды производства дешевой электроэнергии, практика, известная как ограничение пика нагрузки; тепло от теплоэлектроцентралей; тепло, произведенное возобновляемыми источниками энергии, превышающими потребности электросетей, и бросовое тепло от промышленных процессов. Как сезонное, так и кратковременное хранение тепла считается важным средством для дешевого балансирования высокой доли разнообразных возобновляемых источников энергии и интеграции электроэнергетического и теплоэнергетического секторов в энергосистемах для достижения 100 % доли возобновляемой энергии.

Аккумулирование солнечной энергии

Самые активно применяемые системы солнечного отопления могут хранить энергию сроком от нескольких часов до нескольких дней. Однако, наблюдается рост числа мощностей, использующих сезонное аккумулирование тепловой энергии (САТЭ), что позволяет хранить солнечную энергию летом, чтобы использовать ее для отопления помещений в зимний период. Солнечное сообщество Дрэйк Лэнлинг из провинции Альберта в Канаде сейчас научилось использовать 97 % солнечной энергии круглый год, что является рекордом, ставшим возможным только благодаря использованию САТЭ.

Использование как скрытой, так и явной теплоты также возможно в высокотемпературных системах приема солнечной тепловой энергии. Различные эвтектические смеси металлов типа Алюминия и Кремния (AlSi12) предлагают высокую точку плавления для эффективного производства пара, в то время как глиноземные смеси на основе цемента предлагают хорошие свойства хранения тепла.

Технология расплава солей

Явная теплота расплава солей также используется для хранения солнечной энергии при высоких температурах. Расплавы солей могут применяться в качестве метода аккумулирования остаточной тепловой энергии. На данный момент это – коммерческая технология для хранения тепла, собранного гелиоконцентраторами (к примеру, с СЭС башенного типа или параболоцилиндров). Тепло позднее может быть преобразовано в перегретый пар для питания обычных паровых турбин и выработки электричества в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в 1995—1999 годах в рамках проекта «Solar Two». Оценки 2006 года предсказывали годовую эффективность в 99 %, ссылаясь на сравнение энергии, сохраненной в виде тепла перед преобразованием в электричество и преобразования тепла в электричество напрямую. Используются различные эвтектические смеси солей (к примеру, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Использование таких систем в качестве среды переноса тепла заметно в химической и металлургической промышленности.

Соль плавится при 131C (268F). Она хранится в жидком состоянии при 288C (550F) в изолированных «холодных» емкостях для хранения. Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнечное тепло нагревает ее до 566C (1 051F). Затем оно отправляется в горячую емкость для хранения. Сама изоляция емкости может использоваться для хранения тепловой энергии в течение недели. В случае потребности в электричестве, горячий расплав солей перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара и запуска стандартной турбогенераторной установки, используемой на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Турбина мощностью в 100 МВт потребует емкость высотой в 9,1 м (30 футов) и диаметром 24 м (79 футов) для ее запуска в течение четырех часов по подобному принципу.

В разработке находится единый бак с разделительной плитой для сохранения и холодного, и горячего расплава солей. Гораздо более экономичным будет достижение на 100 % большего количества хранения энергии на единицу объема в сравнении со сдвоенными емкостями, так как емкость для хранения расплава солей достаточно дорога из-за сложной конструкции. Солевые грелки также используются для хранения энергии в расплавах солей.

Несколько параболоцилиндрических электростанций в Испании и «Solar Reserve» — разработчик солнечных электростанций башенного типа использует этот концепт для хранения тепловой энергии. Электростанция Солана в США может хранить в расплавах солей энергию, которая вырабатывается 6 часов. Летом 2013 года на электростанции «Gemasolar Thermosolar», работающей и как гелиоконцентратор, и как электростанция на расплавах солей в Испании, впервые удалось непрерывного производства электричества в течение 36 дней.

Накопление тепла в емкостях и пещерах в скалах

Паровой аккумулятор состоит из изолированного стального резервуара высокого давления, содержащего горячую воду и пар под давлением. В качестве метода для хранения тепла он используется для того, чтобы уравновешивать производства тепла изменчивыми или стабильными источниками при изменяющемся спросе на тепло. Паровые аккумуляторы могут стать действительно необходимыми для накопления энергии в проектах, связанных с тепловой солнечной энергией.

Крупные накопители широко применяются в Скандинавии для хранения тепла в течение нескольких дней, разделения производства тепла и энергия и помощи в удовлетворении пикового спроса. Исследовалось (и оказалось экономически выгодным) межсезонное аккумулирование тепла в пещерах.

Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.

Вода обладает одной из самых высоких теплоемкостей – 4,2 Дж/см3*К, тогда как бетон обладает лишь одной третью от этого значения. С другой стороны, бетон может нагреваться до гораздо более высоких температур – 1200C за счет, например, электронагрева и, таким образом, обладает гораздо большей общей емкостью. Следуя из примера далее, изолированный куб примерно 2,8 м в поперечнике может оказаться способным обеспечивать достаточный объем хранимого тепла для одного дома, чтобы удовлетворить 50 % потребности в отоплении. В принципе, это может быть использовано для хранения избыточной ветряной или фотоэлектрической тепловой энергии благодаря способности электронагрева к достижению высоких температур. На уровне округов международное внимание привлек проект «Виггенхаузен-Зюд» в немецком городе Фридрисхафене. Это – железобетонный теплоаккумулятор объемом в 12 000 м3 (420 000 куб.фт.), соединенный с комплексом солнечных коллекторов площадью 4 300 м2 (46 000 квадр. фт), наполовину обеспечивающих потребность в горячей воде и отоплении у 570 домов. Компания «Siemens» строит под Гамбургом хранилище тепла емкостью 36 МВТ*ч, состоящее из базальта, разогретого до 600C, и выработкой энергии в 1,5 МВт. Схожая система планируется для постройки в датском городе Сорё, где 41-58 % накопленного тепла емкостью в 18 МВт*ч будет передаваться для центрального теплоснабжения города, а 30-41 % — как электричество.

Технология сплава на границе растворимости

Сплавы на границе растворимости основаны на изменении фазы металла с целью хранения тепловой энергии.

Вместо того, чтобы перекачивать жидкий металл между емкостями, как в системе с расплавом солей, металл заключается в капсулу из другого металла, с которым не может сплавиться (не поддающийся смешению). В зависимости от выбора двух материалов (материал, меняющий фазу и материал капсулы), плотность хранения энергия может оставлять 0,2-2 МДж/л.

Рабочая среда, как правило – вода или пар, используется для передачи тепла к и от сплава на границе растворимости. Теплопроводность таких сплавов зачастую выше (до 400 Вт/м*К), чем у конкурирующих технологий, что означает более быструю возможную «загрузки» и «разгрузки» теплового хранилища. Технология еще не реализована для использования в промышленных масштабах.

Электротермические накопители

Электроаккумуляционные печи – обычное дело для европейских домов с регистрацией электропотребления с учетом времени суток (чаще всего использующие более дешевое электричество ночью). Они состоят из керамических кирпичей высокой плотности или феолитовых блоков, нагретых электричеством до высоких температур, которые могут иметь или не иметь хорошую изоляцию и контролируют высвобождение тепла через определенное число часов.

Технологии с использованием льда

Разрабатывается ряд технологий, где лед производится во внепиковые периоды и позднее используется для охлаждения. К примеру, кондиционирование воздуха может быть экономичнее за счет использования дешевого электричества ночью для заморозки воды и последующего использования холодильной мощности льда днем для уменьшения количества энергии, требуемой для поддержания кондиционирования воздуха. Аккумулирование тепловой энергии с применением льда использует высокую теплоту плавления воды. Исторически лед перевозили с гор в города, чтобы использовать его, как охладитель. Одна метрическая (= 1 м3) тонна воды может хранить 334 миллиона джоулей (Дж) или 317 000 Британских термических единиц (93 кВт*ч). Относительно небольшой накопитель может хранить достаточно льда, чтобы охлаждать крупное здание целый день или неделю.

Помимо применения льда для прямого охлаждения, он также используется в тепловых насосах, на которых работают системы отопления. В этих сферах изменения энергии фазы обеспечивают очень серьезный теплопроводный слой, близкий к нижнему порогу температур, при котором может работать тепловой насос, использующий теплоту воды. Это позволяет системе переносить серьезнейшие отопительные нагрузки и увеличивать промежуток времени, в течение которого элементы источников энергии могут возвращать тепло в систему.

Сверхпроводящий накопитель энергии

В этом процессе используется разжижение воздуха или азота, как способ хранения энергии.

Первая система накопления энергии при сверхнизких температурах, использующая жидкий воздух в качестве накопителя энергии, а низкопробное бросовое тепло – для запуска повторного теплового расширения воздуха, работает на электростанции в городе Слау (Великобритания) с 2010 года.

Технологии на основе горячего кремния

Твердый или расплавленный силикон предлагает гораздо более высокие температуры хранения, чем соли, а значит – и большие емкость и КПД. Он был исследован, как, возможно, гораздо более эффективная технология хранения энергии. Кремний способен хранить более 1 МВт*ч энергии на м3 при температуре в 1400C.

Накопление электричества после накачки теплом

В случае накопления электричества после накачки теплом (НЭПНТ) двухсторонняя теплонасосная система используется для сохранения энергии за счет разницы температур между двумя накопителями тепла.

Система от «Isentropic»

Система, которая была разработана ныне обанкротившейся британской фирмой «Isentropic», работала так, как указано ниже. Она включала в себя два изолированных контейнера, заполненных измельченной породой или гравием; нагретый сосуд, хранящий тепловую энергию при высокой температуре и давлении, и холодный сосуд, хранящий тепловую энергию при низкой температуре и давлении. Сосуды соединены трубами вверху и внизу, а вся система заполнена инертным газом аргоном.

Во время цикла зарядки система использует внепиковое электричество для работы в качестве теплового насоса. Аргон из верхней части холодного сосуда при температуре и давлении, сравнимыми с атмосферными, адиабатически сжимается до давления в 12 бар, нагреваясь до примерно 500C (900F). Сжатый газ перегоняется в верхнюю часть нагретого сосуда, где он просачивается сквозь гравий, передавая свое тепло породе и охлаждаясь до температуры окружающей среды. Охлажденный, но все еще находящийся под давлением, газ оседает на дне сосуда, где снова расширяется (опять же адиабатически) до 1 бара и температуры в -150C. Затем холодный газ проходит через холодный сосуд, где охлаждает породу, нагреваясь до своего изначального состояния.

Энергия снова превращается в электричество при обратном проведении цикла. Горячий газ из нагретого сосуда расширяется, чтобы запустить генератор, и затем отправляется в холодное хранилище. Охлажденный газ, поднявшийся со дна холодного сосуда, сжимается, нагревая газ до температуры окружающей среды. Затем газ направляется ко дну нагретого сосуда, чтобы снова подвергнуться нагреванию.

Процессы сжатия и расширения обеспечиваются специально разработанным поршневым компрессором, использующим скользящие клапаны. Дополнительное тепло, вырабатываемое в ходе недостатков процесса, уходит в окружающую среду через теплообменники во время цикла разрядки.

Разработчик заявляет, что КПД цикла в 72-80 % вполне реален. Это позволяет сравнивать его с накоплением энергии от ГАЭС, КПД которого составляет свыше 80 %.

Другая предлагаемая система использует турбины и способна работать с гораздо большими объемами энергии. Использование солевых грелок в качестве накопителя энергии позволит продвинуть исследования вперед.

Эндотермические и экзотермические химические реакции

Технология на основе гидратов солей

Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.

В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.

По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.

Молекулярные химические связи

На данный момент исследуется возможность хранения энергии в молекулярных химических связях. Уже достигнута плотность энергии, эквивалентная ионно-литиевым батареям.

Загрузка…

Гравий – как накопитель солнечного тепла

     Солнечная энергия может накапливаться и аккумулироваться в различных теплопроводящих средах. Чаще всего, в отопительных и нагревательных установках в качестве такой среды выступает обычная вода. Вода имеет высокую плотность, теплоёмкость, отличную теплопроводящую способность, а также тепловую энергию, содержащуюся в нагретой воде удобнее всего транспортировать потребителю по трубопроводам и подключающим линиям. Однако, “теплоноситель-вода” подходит только для специальных конструкций оборудования, например для солнечного коллектора, теплового насоса, теплообменника или водонагревателя. Воду нельзя, к примеру, интегрировать в конструкцию наружной стены, потолка или пола, используя тем самым ее в качестве
дополнительного теплоизоляционного слоя.

      Поэтому на помощь приходят твердые теплоаккумулирующие материалы, такие как щебень, гравий, кирпич, бетон, в крайнем случае воздух. Не секрет, что именно крупные заполнители (щебень и гравий) являются отличным материалом для накопления солнечного тепла. Часто при строительстве домов оставляется место в конструкции стены для заполнения его камнями и крупнозернистым песком. Солнечное тепло, проходя через прослойку между щебнем или гравием не покидает ее, а задерживается,  увеличивая тем самым температурную обстановку в помещении.

     Некоторые отопительные  гелиосистемы, а также воздушные солнечные коллектора, вместо жидкого теплоносителя используют гравий в качестве теплового аккумулятора. Многие печки и камины работают по такому же принципу. Развитие твердых теплоаккумулирующих батарей впервые началось в США и Великобритании.

     Пожалуй, главным недостатком гравийного теплонакопителя является его низкая величина теплосодержания, по сравнению с водой. Для получения одной и той же тепловой мощности гравия по объему понадобится в 2-2,5 раза больше, чем воды. Тем не менее щебень и гравий можно разместить в помещении под полом, обуздав тем самым отоплении в доме с помощью системы «теплый пол». В этом случае могут возникнуть значительные сопротивления солнечному потоку, поэтому для каждого конкретного случае необходимо использовать какой-либо прибор (например насос), чтобы обеспечивать непрерывную и равномерную циркуляции воздуха под полом.

      Для поддержания комфортной температуры в пределах 20-22 °C  в помещении, с площадью пола 18-20 м3  для системы “теплый пол” понадобится слой гравия или щебня толщиной не менее 30 см. Очень важно не смешивать крупные камни с мелкими, поскольку это может привести к помехам при циркуляции воздуха. Оптимальный вариант – подобрать частицы с одинаковыми размерами и формой. Недостаток такой системы: возможность обогрева только тех помещений, которые расположены на 1-ом этаже.

      Гравийный теплоаккумулятор под полом можно использовать, как источник тепла для горячего водоснабжения на бытовые нужды. Достаточно проложит под полом  сеть трубопроводов и подключить их к простейшему баку-накопителю тепловой энергии, а сверху на трубы уложит слой гравия. Накопившееся тепло в воздушной прослойке между частичками камней будет нагревать холодную воду в трубках, а та в свою очередь направляться в расширительный бак для обеспечения дома горячим водоснабжением. Циркуляция в таких системах может быть, как естественной (за счет разности температур холодной и горячей воды), так и принудительной (с помощь циркуляционного насоса).

Установка гравийных теплоаккумуляторов позволит повысить эффективность использования солнечного излучения,  а также сократить расход электроэнергии на традиционном способе отопления и горячего водоснабжения.  

Читайте по теме: