Pиc.3.70.Тепловой аккумулятор типа АПВ

Аккумулятор типа АПВ заряжается за счет конденсации пара 1 в объеме более холодной воды, находящейся в баке 2. Это приводит к повышению ее давления и температуры. Конденсация пара и циркуляция воды, обеспечивающая ее быстрый прогрев, осуществляется на основе диффузора 3.

Подключение аккумулятора тепла позволяет на время суточных пиков электрической нагрузки отключать промежуточные отборы пара, идущие на подогрев питательной воды котла и тем самым увеличивать электрическую мощность станции.

На ТЭЦ накопитель может брать на себя также обеспечение тепловой нагрузки в период максимума электропотребления. Теплоаккумулирующие установки могут работать в трех режимах: 1) без накопления тепловой энергии (рис.3.71, а); 2) аккумуляции тепла (рис. 3.71, б); 3) выдачи запасенной тепловой энергии (рис. 3.71, в).

а)

б) в)

Рис. 3.71. Схемы работы теплоаккумулирующих установок

В первом режиме часть пара, направляемого в турбину, забирается и используется для подогрева питательной воды в котле, вследствие чего общий КПД установки повышается. Во втором режиме отбор пара увеличивается и электрическая мощность станции уменьшается. Избыточный пар используется для подогрева воды в накопителе тепла. В третьем режиме горячая вода из накопителя (при отключенных водоподогревателях) используется в качестве питательной воды котла. Таким образом, повышается отдаваемая электрическая мощность.

Теплоаккумуляторы применяются и на АЭС. Теплота аккумулируется путем нагрева высококипящей жидкости избыточной питательной водой в специальном теплообменнике. В период разряда аккумулятора частично или полностью отключаются регенеративные подогреватели, направление циркуляции жидкости меняется на обратное, и питательная вода перед поступлением в парогенератор нагревается за счет теплоты, запасенной в теплообменнике. При такой схеме мощность АЭС в часы максимума электрической нагрузки можно увеличить на 25÷30% по отношению к номинальной. В период заряда аккумулятора выдаваемая электрическая мощность снижается на 40÷50%. Перегретый пар, вырабатываемый в главном аккумуляторе, подается на лопатки специальных пиковых турбин. КПД аккумулирования в такой схеме достигает 75÷80 %.

Электромагнитные накопители

Сверхпроводящие индукционные накопители энергии (СПИН). При подключении катушки индуктивности L к источнику питания протекающий ток I создает магнитное поле, обладающее энергией:

Потери энергии в индукционном накопителе определяются сопротивлением контура, по которому протекает ток. Использование явления сверхпроводимости обеспечивает циркуляцию тока в накопителе с минимально возможными потерями энергии.

Сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) состоит из катушки индуктивности со сверхпроводящей обмоткой и инверторной установки (рис.3.72), обеспечивающей связь накопителя с электрической системой.

Рис. 3.72. Принципиальная схема СПИН

Для изготовления обмотки применяются специальные сплавы, являющиеся сверхпроводниками второго рода: TiNb, NbjSn. Эти соединения имеют высокий уровень критической индукции магнитного поля, и по ним можно пропускать значительные токи в сверхпроводящем состоянии.

Переход от режима накопления к режиму генерирования происходит за 1 - 2 периода переменного тока частотой 50 Гц.

Связь с энергосистемой осуществляется с помощью управляемого вен­тильного преобразователя, работающего в режиме, как выпрямителя, так и ин­вертора. Рефрижератор предназначен для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия (4,2 °К). Для изо­ляции обмотки от притоков тепла извне необходимо сооружение криостатов.

Эскизный проект СПИН показан на рис. 3.73. Экспериментальный СПИН энергоемкостью 1 МДж со средней мощностью 300 кВт создан в институте высоких температур РАН. В Японии сооружен демонстрационный СПИН, имеющий энергоемкость 3600 МДж. В США эксплуатируется СПИН, имеющий энергоемкость 30 МДж.

Работа СПИН сопровождается значительными сжимающими осевыми и распирающими радиальными усилиями, возникающими под действием мощного электромагнитного поля. Поэтому к надежности конструкции бандажа катушки предъявляются очень жесткие требования. Бандаж, расположенный в зоне криогенных температур, выполняют из нержавеющей стали, сохраняющей упругость при таких температурах.

Рис. 3.73.Эскиз СПИН:

1 - регулятор; 2 - преобразователь; 3 - рефрижератор; 4 - аккумулятор на основе сверхпроводящей катушки индуктивности; 5 - насос: 6,7 - резервуары с жидким и газообразным гелием

Сверхпроводящая катушка представляет собой однослойный соленоид, намотанный композитным проводом с алюминиевой стабилизацией. Охлаждение катушки осуществляется жидким гелием при температуре 1,8 °К. Провод имеет круглое сечение (рис.3.74) и гофрирование с радиусом искривления около 1м. Расчетный ток составляет 10÷30 кА при индукции магнитного поля в 2÷5 Тл. Катушки располагаются в подземных выработках радиусом 100÷250 м и высотой 30÷75 м.

Преимущества СПИН:

· высокий КПД;

· компактность, обусловленная высокой плотностью энергии;

· высокое быстродействие;

· незначительное экологическое влияние.

Pис. 3.74. Разрез провода СПИН:

1 - алюминиевая оболочка; 2 - алюминиевая перегородка; 3 - сверхпроводящие шипи; 4 - высокочистый алюминий для стабилизации

СПИН оборудуется сложной системой аварийной защиты. Энергия, запасенная в СПИН емкостью 10000 МВт·ч, эквивалентна энергии взрыва 10000 тонн тринитротолуола. При аварийной потере сверхпроводимости запасенная в накопителе энергия выделится в виде джоулева тепла на участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние. При этом произойдет катастрофический взрыв. Поэтому самопроизвольное высвобождение такой энергии должно предотвращаться системой защиты.

Емкостные накопители (ЕН). Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора с емкостью С, определяется по формуле:

,

где U - подведенное напряжение.

К числу важнейших достижений элек­трохимической технологии относится создание суперконденсаторов: конденсаторов с увеличенной удельной емкостью. На границе раздела фаз (проводник первого рода – электролит) создается двойной электрический слой, в котором электролит имеет один знак заряда, а твердое тело – другой. Емкость двойного слоя лежит в пределах 0,1÷1,0 мФ/м². Площадь поверхности раздела фаз может быть очень большой, поэтому и значения удельной емкости границы раздела фаз также достигают высоких значений. Конденсаторы, состоящие из двух электродов и электролита между ними, в которых реализуется емкость двойного слоя, называются двойнослойными. Дополнительно эти конденсаторы могут иметь фарадеевскую емкость (псевдоемкость), обусловленную разрядом адсорбированных частиц (водорода). В качестве электродов применяются углеродистые материалы, электронпроводящие полимеры (полипиррол, политиофен) и оксиды, а в качестве электролитов – растворы кислот или неводные растворы. Наибольшая достигнутая удельная емкость составляет 360 Ф/г для углеродистых материалов и 768 Ф/г – для оксида рутения. Выпускаемые суперконденсаторы, в том числе в России, имеют удельную энергию 0,2÷0,5 Вт·ч/кг, удельную мощность до 10 кВт/кг, ресурс более 10⁵ циклов. В перспективе ожидается увеличение удельной энергии до 5 и 7 Вт·ч/кг, удельной мощности – до 100 кВт/кг. Суперконденсаторы эффективны при работе в режимах коротких импульсных разрядов.

Емкостно-аккумулирующая электростанция – это батарея последовательно-параллельно соединенных конденсаторов (суперконденсаторов), подключенная через преобразовательную подстанцию к сети переменного тока (рис. 3.75).

Рис. 3.75. Функциональная схема емкостного накопителя энергии

Достоинства ЕН: Емкостный накопитель имеет высокий КПД и не оказывает неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Недостатки: 1) модульный характер конструкции требует значительного числа контактных соединений, что снижает надежность устройства; 2) необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд.

Накопители на базе конденсаторов с высокой удельной емкостью можно рассматривать как перспективные устройства, позволяющие комплексно решать проблемы аккумулирования ЭЭ в энергосистемах. Они могут быть установлены в любой точке сети для выравнивания графиков нагрузки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Описание лабораторных работ

При выполнении лабораторных работ студенты закрепляют навыки, полученные в течение семестра (лекции, консультации, самостоятельная работа). Работы выполняются по вариантам и оформляются в тетради. Номер варианта задается преподавателем.

№ работы	Тема дисциплины	Тема работы	Кол-во часов
	Энергетические ресурсы Земли и их использование	Характеристики и горение органического топлива
	Основы теплотехники	Циклы паротурбинных установок
	Традиционные способы преобразования энергии органического и ядерного топлива	Котельные установки
Итого:

Лабораторная работа 1