Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (ИАПУ ДВО РАН) изучили, как форма тепловых аккумуляторов, которые используют в традиционной и возобновляемой энергетике, влияет на их эффективность. Опираясь на полученные данные, инженеры-конструкторы смогут создавать усовершенствованные устройства накопления энергии под специальные задачи.

Статья опубликована в журнале Renewable Energy.

Закономерности влияния формы тепловых аккумуляторов на их эффективность ученые ДВФУ и ДВО РАН изучили для накопителей, принцип работы которых основан на использовании гранулированных материалах с фазовыми переходами. Нагреваясь, такие материалы переходят из твердого состояния в жидкое, за счет чего удается сохранить полученную тепловую энергию, чтобы отдать ее при затвердевании. Подобные устройства используют в перспективных энергетических системах.

Используя разработанную ими ранее численную модель, ученые рассчитали, как сужения и расширения цилиндрических тепловых аккумуляторов влияют на процессы накопления (зарядки), хранения и отдачи энергии (разрядки) такими аккумуляторами с учетом различных критериев предпочтительности.

«Исследуя процессы зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов разных форм, мы применили шесть различных критериев эффективности, — рассказал Николай Луценко, один из авторов исследования, профессор Инженерного департамента Политехнического института (Школы) ДВФУ, заведующий лабораторией ИАПУ ДВО РАН. — Иногда наиболее предпочтительным может быть такой аккумулятор, в котором сохранится как можно больше проходящей через него энергии. В другом случае может понадобиться аккумулятор с наименьшим временем зарядки. Также в случае разрядки кому-то требуется аккумулятор, который отдает наибольший процент запасенной энергии, а для других может оказаться более полезным аккумулятор, поддерживающий максимально долго температуру газа на выходе не ниже требуемой».

Ученый рассказал, что, чаще всего, предпочтительны тепловые аккумуляторы с прямыми стенками. В то же время форма накопителя тепловой энергии как при зарядке, так и при разрядке зависит от выбора критериев эффективности и конкретных условий процесса, таких как граничные условия, температура фазового перехода гранулированного материала и так далее. Сужение или расширение накопителей тепловой энергии дает преимущества в некоторых случаях.

Накопители тепловой энергии используют также в составе аккумуляторов других типов, например, в адиабатических накопителях энергии сжатого воздуха, которые применяют, чтобы запасать дешевую энергию, произведенную традиционными электростанциями ночью или же солнечными батареями и ветрогенераторами в благоприятную погоду, чтобы отдавать ее при пиковом энергопотреблении в утренние и вечерние часы.

«В этих накопителях запасают энергию сжатого газа: компрессоры закачивают газ в огромные емкости, где он может долго храниться, а при недостатке энергии сжатый газ из этих емкостей подается на турбины, которые раскручивают генераторы, вырабатывающие электрический ток. Традиционным накопителям энергии сжатого воздуха присущ недостаток — теряется тепло, выделяемое при закачке газа, который, как известно, нагревается при сжатии. Когда же газ выходит из емкостей, он сильно охлаждается, а значит, перед подачей в турбину его нужно подогревать, для чего используется горючее. Сегодня разрабатываются инновационные адиабатические накопители энергии сжатого воздуха, в которых при режиме зарядки газ после компрессора сначала проходит через тепловой аккумулятор и отдает ему свое тепло, и только после этого поступает в хранилище. В режиме разрядки такого накопителя газ из хранилища, расширяясь и охлаждаясь, поступает сначала в этот же тепловой аккумулятор, где забирает энергию и нагревается, а только потом подается на турбины, раскручивающие генераторы. КПД таких установок значительно повышается, и, кроме этого, улучшается их экологичность, так как отсутствует горение и сопутствующие ему выбросы в окружающую среду», — объяснил Николай Луценко.

Соавтором исследования выступил аспирант Николая Луценко, Сергей Фецов, который по итогам конкурса для студентов высших учебных заведений 2019 года был награжден медалью Российской академии наук за работу «Численное моделирование течений газа через слой гранулированного материала с фазовым переходом».

На базе ДВФУ и ДВО РАН под руководством Николая Луценко ученые, аспиранты и студенты проводят исследования в различных областях механики сплошных многокомпонентых сред. Кроме моделирования инновационных систем энергетики на основе композитных материалов с фазовыми переходами, исследуют фильтрационное горение пористых природных и техногенных систем, разрабатывают модели низкотемпературных газогенераторов перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов.