Повышение скорости закачки воздуха повышает эффективность аккумулирования энергии сжатого воздуха

Китайские исследователи проанализировали, как различные стратегии закачки воздуха влияют на эффективность аккумулирования энергии и теплопотери в кавернах для аккумулирования энергии сжатого воздуха. Они обнаружили, что линейно увеличивающаяся скорость подачи воздуха может повысить эффективность аккумулирования энергии с 85,5% до 87,5% по сравнению с закачкой с постоянной скоростью.

Иллюстрация системы CAES

Исследовательская группа из Китайского технологического университета провинции Хунань проанализировала показатели накопления энергии в хранилищах энергии сжатого воздуха (ХЭСВ) при различных способах закачки воздуха.

Целью исследования было определить, как различные способы закачки воздуха влияют на термодинамическое поведение и показатели накопления энергии в ХЭСВ, с учетом теплопередачи при транспортировке воздуха по стволу скважины и теплообмена между пещерой и окружающей породой. Исследователи стремились определить эксплуатационные и конструктивные параметры, которые могли бы повысить показатели накопления энергии, и дать рекомендации по проектированию и эксплуатации подземных систем ХЭСВ.

Исследователи разработали численную модель системы CAES, состоящей из ствола скважины и каверны, которая учитывает турбулентный поток, теплофизические свойства реального воздуха, сопряженный теплообмен между газом и твердым телом, а также теплопроводность в окружающих породах.

«По сравнению с традиционными дискретными термодинамическими моделями, предложенная модель может описывать неоднородную в пространстве эволюцию температурного поля, поля давления и теплопотери стенок внутри каверны», — заявили исследователи. «По сравнению с моделями вычислительной гидродинамики (CFD), в которых границы нагнетания и выпуска воздуха устанавливаются непосредственно на входе в каверну, в этом исследовании дополнительно учитываются изменения термодинамического состояния воздуха при его транспортировке по стволу скважины и их взаимосвязь с процессами течения в каверне и теплопередачи».

Ученые создали численную модель, которая решает уравнения сохранения массы, импульса и энергии воздуха. В ней используется стандартная модель турбулентности k–ε и рассчитывается теплопередача через стенки ствола скважины и каверны в окружающие породы.

Они проверили модель на основе эксплуатационных данных немецкой АЭС «Хунторф», представив ее активную зону в виде упрощенного цилиндра радиусом 20 метров и высотой 112,2 метра. Максимальная разница между смоделированными и измеренными значениями составила 2,66 К для температуры и 0,30 МПа для давления, что исследователи назвали «приемлемым».

Для последующего моделирования исследователи создали сферическую пещеру радиусом 40 метров и объемом 268 000 м3, соединенную с 30-метровым стволом скважины.

Они сравнили четыре режима подачи воздуха: линейное увеличение расхода с 10 до 150 кг/с; расход 110 кг/с в течение пяти часов, затем 30 кг/с в течение трех часов; прерывистая подача с паузами и постепенно увеличивающимся расходом; и постоянный расход 80 кг/с. При каждом режиме за восемь часов подавалась одна и та же общая масса воздуха.

В ходе отдельного моделирования исследователи сравнили диаметры стволов скважин 0,5 метра, 1,0 метра, 1,5 метра и 2,0 метра. Они также проверили теплопроводность окружающих пород, соответствующую базальту на уровне 2,17 Вт / (м · К), граниту на уровне 2,90 Вт / (м · К) и кварциту на уровне 5,53 Вт / (м · К).

«Среди различных стратегий закачки воздуха режим с линейно возрастающим массовым расходом увеличивает среднюю температуру на 1 К, среднее давление — на 0,13 МПа, работу, совершаемую над газом, — примерно на 12,7 %, а теплопотери через стенки в окружающую породу — примерно на 11 % по сравнению с режимом закачки с постоянным массовым расходом, — сообщили исследователи. — Коэффициент накопления энергии увеличивается с 85,5 % при постоянном режиме закачки до 87,5 % при режиме с линейно возрастающим массовым расходом».

Исследователи также обнаружили, что диаметр ствола скважины является важным конструктивным параметром, влияющим на потери тепла при транспортировке по воздуху. Увеличение диаметра с 0,5 метра до 2,0 метра уменьшило теплопотери через стенку ствола скважины с 8,5 × 10^8 Дж до 2,5 × 10^ 8 Дж, при одновременном повышении средней температуры воздуха в пещере примерно на 1 К.

“Когда окружающая порода меняется с базальта с теплопроводностью 2,17 Вт / (м · К) на кварцит с теплопроводностью 5,53 Вт / (м · К), потери тепла при проводимости увеличиваются примерно на 7%”, - сказали в команде. «В конце подачи воздуха адиабатическая модель завышает среднюю температуру и давление на 1,7 К и 0,05 МПа соответственно. В конце выпуска воздуха соответствующие завышения составляют 2,2 К и 0,06 МПа соответственно».

Исследователи представили свои выводы в статье «Анализ скорости накопления энергии в кавернах для хранения энергии сжатого воздуха при различных процессах закачки воздуха», опубликованной в Case Studies in Thermal Engineering.

Аккумулятор fiamm купить https://invertory.ru/category/akkumuljatory-fiamm/