Накопители энергии в электрических системах - Тепловые накопители энергии

Тепловые накопители энергии устройства, в которых путем повышения температуры или изменения фазового состояния рабочего тела.
Аккумулирование тепловой энергии при основные области применения в ЭЭС:
аккумулирование теплоты у потребителя для кондиционирования воздуха и нагрева воды,
аккумулирование теплоты на ЭС для подогрева питательной воды;
аккумулирование теплоты на ЭС в виде  пара, расплавленных солей и т. п.
Ведется большая работа в области развития теплового аккумулирования энергии для горячего водоснабжения и отопления на стороне потребителя, хотя предлагается применять и аккумулирование теплоты в системах централизованного водоснабжения. Для некоторых систем, имеющих выраженные пики нагрузки, использование внепиковой энергии в водонагревателях и устройствах отопления может улучшить коэффициент заполнения графиков, создав значительную нагрузку и часы провала. Горячую воду из накопителя можно использовать в качестве питательной воды котла, отключив нагреватели. При этом увеличивается отдаваемая электрическая мощность установки.
В области централизованного аккумулирования теплоты в сетях теплоснабжения давно используются и оправдали себя аккумуляторы кратковременного действия для выравнивания суточных и праздничных пиковых нагрузок. При предполагаемой продолжительности выдачи энергии в течение 10 ч устройство, основанное на аккумулировании пара, будет иметь следующие характеристики:
Вероятная мощность— 500 МВт
Ориентировочные капиталовложения— 120 долл/кВт
Ожидаемый срок службы— 30 лет
КПД   -37%
Удельная энергоемкость устройства приведена в табл. 2.2.

В Литовской ССР в сельском хозяйстве и в быту используются аккумуляционные водоподогреватели, суммарная мощность их равна 30 МВт. К 1985 г. мощность таких устройств в целом по стране достигла 300— 600 МВт, а впоследствии приблизится к 1000 МВт.
Первые паровые аккумулирующие системы начали эксплуатироваться в 1873 г. В 1913 г. доктор Руте получил в Германии патент на принцип конструкции аккумулирующей установки переменного давления с генерированием электроэнергии. Первая действующая установка была построена в городе Мальме (Швеция). Самая большая станция этого типа находится в Шарлоттенбурге, близ Берлина. Она вырабатывает электроэнергию и имеет аккумулирующее устройство на 67 МВт-ч. Станция была построена в 1929 г. и успешно работает до сих пор.

Рис. 2.4. Схема работы теплоаккумулирующей установки в режиме работы без накопления: 1 — паровой котел; 2 — турбогенератор; 3 — конденсатор; 4 — подогреватели питательной воды

Рис. 2.5. Схема работы теплоаккумулирующей установки режиме накопления (накопление производится в период прохождения провала нагрузки):
1 — накопитель горячей воды; 2 — паровой котел; 3 — турбогенератор; 4 — конденсатор; 5 — подогреватель питательной воды; 6 — накопитель холодной воды

Теплоаккумулирующие установки могут работать в трех режимах: 1) без накопления (рис. 2.4); 2) накопления (рис. 2.5); 3) выдачи (рис. 2.6). При работе в первом режиме часть пара, направляемого в турбину, забирается и используется для подогрева питательной воды котла, благодаря чему повышается общий КПД рабочего цикла.
При работе во втором режиме забирается больше пара, чем в первом, причем выходная электрическая мощность установки уменьшается, а избыточный пар используется для подогрева воды в накопителе теплоты. При работе в третьем режиме горячая вода из накопителя при отключений ее нагревателей используется в качестве питательной воды котла. Таким путем можно повысить отдаваемую электрическую мощность установки выше обычного уровня.

Рис. 2.6. Схема работы теплоаккумулирующей установки в режиме выдачи (во время прохождения пика нагрузки). Цифровые обозначения те же, что и на рис. 2.5

Теплоаккумулирующие установки отличаются от других накопительных систем одной особенностью: аккумулирующее устройство не является самостоятельной станцией, работающей в составе ЭЭС, а непосредственно связано с определенной паросиловой установкой. Данную особенность необходимо принимать во внимание во всех экономических расчетах, так как она влечет за собой некоторую потерю готовности и паросиловой установки, и аккумулирующего устройства. Если по какой-то причине выходит из строя паросиловая установка, то не работает и аккумулирующее устройство, и наоборот. Такое положение приводит к трудностям при планировании, поскольку на стадии проектирования нужно решить, какая именно паросиловая установка будет работать большую часть расчетного срока службы, чтобы можно было объединить с ней аккумулирующее устройство.
Тепловые накопители можно устанавливать непосредственно на ТЭС и АЭС, используя их теплотехническое оборудование. Они имеют высокую удельную энергоемкость (см. табл. 2.2).
Таблица 2.2

Недостатками таких накопителей являются: ограниченный КПД; небольшое время хранения, связанное с теплопередачей, лучеиспусканием и конвекцией теплоты с поверхности рабочего тела; значительное время реверса, определяющееся маневренными характеристиками блоков ТЭС и АЭС. Кроме того, в накопителях на основе фазового перехода, имеющих большую удельную энергоемкость, чем обычные тепловые накопители, существуют непреодоленные пока трудности, связанные с отбором запасенной энергии. Данные недостатки ограничивают использование тепловых накопителей энергии в ЭЭС.