Система с тепловым насосом и батареей Карно для хранения солнечной энергии в жилых домах

купить аккумулятор TROJAN T105

Итальянские исследователи разработали реверсивный тепловой насос с батареей Карно, который накапливает избыточную солнечную энергию в жилых домах в виде тепла и при необходимости преобразует ее обратно в электричество. Моделирование показало, что оптимизация скорости расширителя батареи Карно может повысить эффективность преобразования до 35%, при этом система сможет удовлетворять суточную потребность домохозяйства в электроэнергии.

Испытательные стенды органического цикла Ренкина

сследователи из Университета Аквилы в Италии разработали обратимую батарею Карно (R-CB), объединяющую тепловой насос (ТН) и установки на основе органического цикла Ренкина (Organic Rankine Cycle, ORC).

Их концепция основана на взаимодополняющей работе обеих систем: реверсивный тепловой насос может обеспечивать отопление или охлаждение в зависимости от сезонного спроса, а система ORC позволяет рекуперировать и преобразовывать низкопотенциальную тепловую энергию в электричество.

ORC — это термодинамический процесс, при котором электричество вырабатывается с помощью органического рабочего тела с низкой температурой кипения для преобразования низкотемпературных источников тепла в механическую работу, которая затем преобразуется в электрическую энергию. По сравнению с традиционным циклом Ренкина, этот метод лучше подходит для рекуперации низко- и среднетемпературного тепла, поскольку рабочие тела могут эффективно испаряться при относительно низких температурах, что позволяет эффективно преобразовывать энергию из таких источников, как промышленные выбросы, геотермальная энергия или солнечные тепловые системы.

Батареи Карно - это системы, которые накапливают электроэнергию в виде тепла с использованием таких носителей, как вода или расплавленные соли, и при необходимости преобразуют накопленное тепло обратно в электричество. К этой категории относятся системы жидкостно–воздушного аккумулирования энергии (LAES) и системы накачанного аккумулирования тепловой энергии (PTES) на основе Brayton или Rankine. Сюда также входят аккумуляторы Ламма-Хонигманна — технология на основе сорбции, которая может заряжаться и разряжаться как с помощью тепла, так и с помощью электричества, а также системы, сочетающие резистивный нагрев с силовыми циклами.

Эти технологии хранения энергии могут применяться в самых разных сферах энергосистем, включая энергетический арбитраж, вспомогательные услуги и сглаживание пиковых нагрузок. В зависимости от технологии и конфигурации системы аккумуляторы Карно также могут способствовать межотраслевому взаимодействию за счет использования промышленных отходов тепла или подачи полезного тепла наряду с электричеством.

«Система называется обратимой, потому что тепловой насос и система обратного осмоса используют одни и те же компоненты, но работают с ними по-разному, — рассказал ведущий автор исследования Фабио Фатигати. — В режиме теплового насоса на этапе зарядки два теплообменника работают как конденсатор и испаритель соответственно». В режиме ORC на этапе разрядки их функции меняются на противоположные, и они работают как испаритель и конденсатор».

Во время работы теплового насоса, соответствующей этапу зарядки, избыточная электроэнергия от фотоэлектрических элементов питает компрессор, который приводит в движение рабочую жидкость, совершая обратный термодинамический цикл. Тепловой насос извлекает тепловую энергию из низкотемпературного источника и передает ее в высокотемпературную накопительную среду, обычно это вода под давлением в резервуаре. Таким образом, избыточная электроэнергия от фотоэлектрических элементов преобразуется в тепловую энергию и сохраняется в резервуаре.

«Когда требуется электроэнергия, накопленная тепловая энергия используется для приведения системы в действие в режиме ORC, что фактически меняет направление работы теплового насоса, — объяснил Фатигати. — На этом этапе разрядки вращающаяся машина работает как детандер, а не как компрессор. Рабочая жидкость расширяется в машине, вырабатывая электроэнергию, которая может питать нагрузку, когда выработка солнечной энергии недоступна или недостаточна».

Схема теплового насоса реверсивной батареи Карно.

Система была разработана для использования в качестве рабочего тела R1233zd(E) и реверсивной винтовой машины Bitzer OSK5361-K, работающей как компрессор в режиме высокого давления и как детандер в режиме низкого давления. Тепловой насос обеспечивает тепловую мощность от 4 до 31 кВт при мощности компрессора от 1,6 до 5,1 кВт. Он работает при температуре источника тепла от 50 до 90 °C и температуре теплоотвода от 60 до 110 °C с температурным подъемом от 10 до 25 К.

Тепловой насос достигает максимального коэффициента полезного действия (КПД) 9,5 при температурном напоре около 15 К. Во время разрядки горячая вода из бака с горячей водой под давлением поступает в реверсивный тепловой насос, меняя местами функции основных теплообменников и объемного расширителя. В режиме реверсивного теплового насоса система получает от 24 до 67 кВт тепловой энергии, а реверсивный винтовой компрессор вырабатывает от 0,3 до 3,7 кВт электроэнергии. Рекуперативный теплообменник используется в обоих режимах работы для рекуперации внутреннего тепла и предварительного нагрева рабочего тела, что повышает общую эффективность цикла.

Секции теплового насоса и системы аккумулирования тепловой энергии имеют собственные системы управления. В режиме работы теплового насоса избыточная электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими панелями после удовлетворения нагрузки, используется для питания компрессора и зарядки системы аккумулирования тепловой энергии. Контроллер теплового насоса регулирует крутящий момент компрессора в зависимости от избыточной электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, и заданной скорости вращения компрессора. Во время разрядки система аккумулирования тепловой энергии работает за счет тепла, поступающего из бака с горячей водой, температура воды в котором постепенно снижается со 110 °C до 70 °C. Таким образом, регулятор ORC обеспечивает постоянный перегрев на входе в детандер на 10 °C — это условие считается благоприятным для эффективности детандера.

По словам исследовательской группы, разработанная стратегия управления обеспечивает стабильную зарядку с высоким напряжением и разрядку с низким напряжением, несмотря на колебания избыточной мощности фотоэлектрических систем и температуры резервуара.

«Мы проверили модель, сравнив теоретические прогнозы с экспериментальными данными, найденными в литературе», — сказал Фатигати, отметив, что в ходе оценки рассматривалась обратимая батарея с высоким напряжением и низким напряжением, работающая по циклу Карно, в сочетании с жилой фотоэлектрической системой площадью 60 м² в центральной Италии. Анализ был сосредоточен на январских днях, когда избыточная фотоэлектрическая энергия вырабатывалась в основном в период с 06:00 до 15:00 и использовалась для зарядки накопительного водонагревателя. Были протестированы баки объемом 8000, 12 000 и 16 000 литров, при этом был выбран бак объемом 8000 литров, поскольку он нагревался до целевой температуры 100 °C.

Анализ показал, что при разрядке аккумулятора увеличение расхода горячей воды с 20 до 30 литров в минуту увеличило запас избыточной электроэнергии с 2 до 4 кВт·ч, при этом эффективность цикла увеличилась с 22% до 26%, а эксергетическая эффективность — с 16,4% до 19,8%. Дальнейшая оптимизация показала, что снижение скорости расширителя ORC замедляет разряд аккумулятора и увеличивает время его работы. При 1000 оборотах в минуту система накапливала около 5 кВт⋅ч за девять часов работы и могла покрыть всю электрическую нагрузку. При такой скорости эффективность ОРС приближалась к 7%, а эффективность преобразования энергии в обоих направлениях достигала 35%, а эксергетическая эффективность — 26%.

«Производительность системы повышается при снижении скорости экспандера, — пояснил Фатигати. — В частности, снижение скорости экспандера с 1900 об/мин в базовом варианте до 1000 об/мин позволяет реверсивной батарее Карно, интегрированной с системой накопления энергии, полностью удовлетворять суточную потребность в электроэнергии, при этом в конце периода разрядки остается 1,5 кВт⋅ч остаточной энергии». Снижение скорости экспандера с 2000 до 1000 оборотов в минуту также примерно удваивает эффективность работы в обоих направлениях и эксергетическую эффективность.

«В качестве дальнейшего развития мы оцениваем влияние установки фотоэлектрических панелей и конфигурации системы на общую производительность, а также расширяем анализ на весь год», — заключил он. «Благодаря высокой точности и надежности модели мы можем проводить детальный динамический анализ и оценивать потенциальные улучшения отдельных компонентов системы».

Система была представлена в статье «Оптимизация на основе моделирования обратимого теплового насоса с органическим циклом Ренкина и батареей Карно для жилых помещений», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management.