«Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина»

Применение тепловых накопителей для повышения эффективности воздухо-аккумулирующих станций

УДК: 620.92
DOI: 10.33285/2073-9028-2023-3(312)-125-144

Авторы:

¹ Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Российская Федерация
² Казанский государственный энергетический университет, Казань, Российская Федерация
³ Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина, Москва, Российская Федерация

Ключевые слова: аккумулирование энергии, воздухо-аккумулирующая электростанция, тепловой аккумулятор, пиковая электростанция

Аннотация:

Производство электроэнергии ветровыми и солнечными электростанциями характеризуется значительной суточной и сезонной неравномерностью, что оказывает влияние на режимы работы генерирующего оборудования электростанций. Рост установленной мощности возобновляемых источников энергии (ВИЭ) приводит к увеличению требуемого регулировочного диапазона энергосистемы. За этим следует необходимость внедрения маневренного генерирующего оборудования или аккумулирующих электростанций. Потенциальным решением вопроса ведения пиковых режимов является ввод в эксплуатацию воздухо-аккумулирующих электростанций (ВАЭС). К преимуществам применения ВАЭС в качестве способа аккумулирования электрической энергии можно отнести высокую маневренность и работу в широких диапазонах температуры и давления. Одной из актуальных тенденций повышения эффективности ВАЭС является рекуперация тепловой энергии внутри цикла посредством теплового аккумулятора. Проведенный анализ тепловых схем адиабатических ВАЭС показывает актуальность применения тепловых аккумуляторов для рекуперации тепловой энергии воздуха. Тепловой аккумулятор, как правило, должен обеспечивать сохранение тепловой энергии в температурном диапазоне 80–400 °С. С учетом современного уровня развития науки для этих целей могут применяться материалы с фазовым переходом. Основными преимуществами использования таких материалов являются высокая теплоемкость и постоянная рабочая температура. Материалы с фазовым переходом способны накапливать и выделять большое количество тепловой энергии при переходе вещества из одной фазы в другую, чаще всего из твердой фазы в жидкую. В статье представлено численное моделирование процесса плавления/кристаллизации, с помощью которого определено время достижения температуры плавления и время фазового перехода.

Список литературы:

1. Зубакин В.А., Величко А.И. Прогнозирование выработки ветряных электростанций и оценка влияния климатических параметров на кривую мощности ветрогенератора // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. – 2022. – № 1 (306). – С. 120–131.
2. Оценка потенциала ветровой и солнечной энергии России и КНР / Б.И.У. Исроилов, М.М. Сутаев, Р.Д. Мингалеев [и др.] // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. – 2022. – № 3 (308). – С. 123–138.
3. Белобородов С.С., Гашо Е.Г., Ненашев А.В. Оценки «углеродоемкости» и углеродной «нейтральности» экономики ЕС и РФ // Промышленная энергетика. – 2021. – № 11. – С. 38–47.
4. Белобородов С.С., Дудолин А.А. Влияние развития ВИЭ на сбалансированность производства и потребления электроэнергии в ЕЭС России // Новое в российской электроэнергетике. – 2020. – № 5. – С. 6–17.
5. Мартынов В.Г., Бессель В.В., Лопатин А.С. Об углеродной нейтральности России // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. – 2022. – № 1 (306). – С. 5–20.
6. Веремеенко Е.С. Экологические риски на предприятии Зеленчукской ГЭС-ГАЭС филиала ПАО «Русгидро» // Сборник научных статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. – Ставрополь: Ставропольский государственный аграрный университет, 2021. – С. 51–56.
7. Комплексная реконструкция и модернизация Кубанской ГАЭС / А.А. Малега, А.А. Бородулин, В.Н. Панов [и др.] // Гидротехническое строительство. – 2020. – № 8. – С. 27–35.
8. A review on compressed air energy storage: Basic principles, past milestones and recent developments / M. Budt, D. Wolf, R. Span, J. Yan // Applied Energy. – 2016. – № 170. – P. 250–268.
9. A review of thermal energy storage in compressed air energy storage system / Q. Zhou, D. Du, Ch. Lu [et al.] // Energy. – 2019. – № 188. – P. 115–119.
10. Overview of current compressed air energy storage projects and analysis of the potential underground storage capacity in India and the UK / M. King, A. Jain, R. Bhakar [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – № 139.
11. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of a trigenerative system based on compressed air energy storage under different working media and heating storage media / P. Li, Q. Hu, Zh. Han [et al.] // Energy. – 2022. – № 239.
12. NYSEG SENECA // Compressed air energy storage (CAES) demonstration project, Final Phase 1 Technical Report. September 2012. – 66 р.
13. Ольховский Г.Г., Казарян В.А, Столяревский А.Я. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2011. – 358 с.
14. Thermodynamic and economic performance analysis of heat and power cogeneration system based on advanced adiabatic compressed air energy storage coupled with solar auxiliary heat / P. Li, Q. Hu, Y. Sun, Zh. Han // Journal of Energy Storage. – 2021. – № 42.
15. Transient thermodynamic modeling and economic analysis of an adiabatic compressed air energy storage (A-CAES) based on cascade packed bed thermal energy storage with encapsulated phase change materials / Sh.B. Mousavi, M. Adib, M. Soltania [et al.] // Energy Conversion and Management. – 2021. – № 243.
16. Synthesis and thermal properties of novel sodium nitrate microcapsules for high-temperature thermal energy storage / J. Li, W. Lu, Z. Luo, Y. Zeng // Sol Energy Mater Sol Cells. – 2017. – № 159. – 440 р.
17. KNO3/NaNO3 – Graphite materials for thermal energy storage at high temperature: Part II. Phase transition properties / J. Lopez, Z. Acem, P. Elena // Appl. Therm. Eng. – 2010. –№ 30 (13). – Р. 1580–1586.
18. Expanded graphite for thermal conductivity and reliability enhancement and supercooling decrease of MgCl2∙6H2O phase change material / Z. Song, Y. Deng, J. Li, H. Nian // Mater. Res. Bull. – 2018. – Р. 102–203.