Теплопроводность цсп: размер листов, вес, теплопроводность и другие технические характеристики материала, цены, применение в строительстве и отзывы о ЦСП

Содержание

ЦСП – технические характеристики, применение

Перед тем как ознакомиться с характеристиками и способами применения данного материала, напомним: ЦСП – цементно-стружечные плиты, отличающиеся особой экологичностью. Эти плиты лучше всего подойдут для создания безопасного для здоровья человека дома. Цементно-стружечные плиты обладает целым ассортиментом достоинств: негорючие, экологически чистые, а также его относят к группам стройматериалов, применяемых в технологиях так называемого «сухого монтажа».

Внешне ЦСП представляют собой идеально гладкие плиты, вписывающиеся в любой интерьер и дизайн.

Изготовление цементно-стружечные плиты

ЦСП делают из проверенного временем сырья — из древесной стружки и цемента, к которым добавляют определенную долю химических модификаторов, минерализующих древесную стружку. Именно минерализация древесной стружки делает их устойчиво к гниению и эрозии. Минерализация трансформирует стружку в состояние, в котором она способна сопротивляться погодным условиям, химикатам, насекомым, огня, грибкам, грызунам, гнили и влаге.

В их состав входят:

Тонкие листы стружки хвойных пород — 24%.
Портландцемент – 65%.
Химические вещества, связывающие эти два компонента – 4%.
Вода – 9%.

Все эти вещества смешиваются вместе, а затем спрессовываются.

В химических добавках и заключён главный секрет универсальности ЦСП. Они снижают вредное воздействие цемента на древесину и придают этому материалу массу достоинств, превращая стружку в особый минерал.

Преимущества ЦСП

Плюсов у таких плит достаточно для того, чтобы выбрать её для отделки помещений:

Экологичность. Основу плит составляют натуральные материалы, а химический состав не выделяет веществ, ядовитых или опасных для человека в процессе эксплуатации.
Небывалая прочность. ЦСП идеально подходит как для отделки пола, так и для отделки потолка.

Влагостойкость. Она равна влагостойкости каменных материалов. Поэтому плиты можно применять в помещениях и низкой, и высокой влажности.
Морозостойкость. При частой разморозке и заморозке не меняет своей формы и размера.
Режется, как OSB плиты.
Звукоизоляция. Идеально подойдут для отделки стен в тех местах, где слишком шумно. Эффективно гасят посторонние звуки.
Огнеупорный. Плиты стойко переносят высокие температуры.
Устойчивость к грибкам, плесени и гниению.
Грызуны и насекомые равнодушны к этому материалу, так что от них плиты не пострадают.
Сочетаются с большинством отделочных материалов.
Низкая стоимость.

При таком солидном перечне достоинств, ЦСП имеет хоть и малочисленные, но существенные недостатки.

Минусы ЦСП

К недостаткам плит можно отнести:

Большой вес. Такую плиту тяжело транспортировать на верхние этажи и кровлю. Вес средней плиты колеблется от 73 до 85 килограмм.
Если положить листы на неровную поверхность, то они могут треснуть, как каменные листы. Если хотите этого избежать, то убедитесь, что пол, стены, потолки идеально ровные.
Низкая прочность на изгиб. Такой материал не подходит для строительства арок или сооружений, имеющих изогнутые линии.

Технические параметры

Размерный ряд цементно-стружечных плит включает в себя плиты:

Длиной от 2,7 до 3,2 метра. Обычно закупаются 3-х метровые плиты.
Шириной 1,25 метра.
Толщиной от 8 до 36 миллиметров. Чаще всего использую плиты 10, 16 и 20 миллиметров.

Толщина и длина влияют на вес плиты. С увеличением толщины, увеличивается значение веса плиты. Например, 8-миллиметровая плита имеет вес 36,45 килограмм, а 36-миллиметровая – 194,4 килограмма.

Другие технические показатели следующие:

Плотность от 1100 до 1400 кг/м³. Она зависит от уровня влажности.
Прочность – на изгиб 9-12 Мпа, на растяжение – 0,4 Мпа. Вот почему ЦСП не годятся для строений с изогнутой формой. Но цементно-стружечные плиты прекрасно подвержены продольной деформации.
Стандартная влажность – 9%.
Паропроницаемость — 0,03 мг/(м·ч·Па). То есть пористый материал этих плит «дышит», что можно отнести к достоинствам ЦСП.
Теплопроводность — 0,26 Вт/(м·К). Она гораздо выше, чем у кирпича или бетона.

Теперь рассмотрим, где применяют плиты с данных перечнем свойств.

Виды ЦСП и их применение

Важно помнить, что существует два вида цементно-стружечных плит. Это гладкие и шероховатые плиты.

Гладкие — хороши для внутренней отделки комнат. На них хорошо держатся обои, ложится акриловая краска, укладывается плитка, линолеум, ламинат, ковролин. Используя их, можно создать идеально ровное помещение, напольное покрытие. Они подходят для облицовки ванных комнат, так как обычно пропитаны веществом, защищающим от влаги.

Шероховатые – идеальны для внешней облицовки зданий. С их помощью легко выровнять стены, создать кровельный пирог, опалубки. Из них изготавливают сэндвич-панели, которые могут служить для создания тропинок и дорожек.

Также из ЦСП можно возводить заборы, сооружать мебель, поддоны и крупные складские конструкции.

Применение ЦСП во внутренней отделке сооружений

Благодаря таким качествам, как огнестойкость (может противостоять пламени в течение 50 минут), влагостойкость и удобство в работе (легко режется, хорошо вбиваются гвозди и вкручиваются саморезы) ЦСП – отлично подходит для внутренней отделки зданий. Из них получаются отличная черновая обшивка для стен или каркаса, межкомнатные перегородки, изолирующие звук. Но ЦСП обычно скупают для отделки пола. Остановимся на этом процессе подробней:

Сначала нужно уравнять и проверить поверхность, которую собираетесь покрывать ЦСП. Все неровности необходимо устранить – зашпаклевать или заделать цементным раствором, если опора бетонная. Если земляная (делается на первом этаже дома), то необходимо создать насыпную подушку из песчано-гравийной смеси толщиной около 20 см.
На опорные кирпичные столбы укладывают гидро- и звукоизоляцию.

Сверху укладываются лаги (деревянные бруски 5 * 8 см) на расстоянии друг от друга от 0,5 до 1 метра.
На них монтируется тонкие ЦСП.
Поверх тонких плит прокладывают гидроизоляцию и утеплитель. Этот слой лучше сделать уже лаги на 2-3 сантиметра, чтобы создать вентиляционный зазор.
Затем покрывают ЦСП, закрепляя их саморезами с потайными головками. Толщина плиты должна быть не более 20 миллиметров, если вы делаете пол для жилых помещений. Для складских – подойдут плиты толщиной 24-36 миллиметров.

Таким образом, вы получите тёплый и прочный пол, который прослужит вам не один десяток лет. Но ЦСП можно применять не только внутри, но и снаружи дома.

Применение ЦСП для внешней отделки сооружений

Листы ЦСП невероятно удобны для внешней отделки строений.

Они морозостойкие, сохраняют тепло и не повреждаются при взаимодействии с влагой. И можно использовать плиты абсолютно любой толщины. Кроме того, их легко покрасить или покрыть штукатуркой. Однако поверхность плит в этом не нуждается.

Обычно на стены набивают маяки, поверх которых просто укладывают цементно-стружечные плиты.
Для заделки стыков применение шпатлевки недопустимо. Лучше для этих целей использовать герметик. Он не трескается и подстраивается под действие атмосферных осадков.

Интересно смотрятся дома, стены которых облицованы ЦСП под кирпич. Сейчас существует и другая декоративная отделка этих плит. Выглядит такой дом великолепно, а затрат трудовых и финансовых ресурсов потребует минимальных.

ЦСП также используют для создания опаблуки много— или одноразового пользования. Такие плиты не дают влаге проникать в дом, что предотвращает появление сырости благодаря хорошей влагостойкости.

Как было сказано выше, из цементно-отделочных плит изготавливают сэндвич-панели. Они обладают высокой жёсткостью, что позволяет улучшить жёсткость конструкции в целом. Из них можно в короткие сроки собрать дом с хорошей теплоизоляцией. Трудности могут возникать лишь из-за огромного веса таких плит. Имея толщину 36 миллиметров, они весят 400 килограмм.

Так что же можно построить из цементно-стружечных плит?

контейнер для компоста;
ограждения;
жилые сборные дома;
потолка;
туалеты;
столешницы;
сэндвич-панели несъемную опалубку в монолитных зданиях;
пол;
подоконники;
теплый пол;
погреба;
перегородки пожаробезопасные и звукоизоляционные;
короба вентиляции;
собачьи будки;
строительные блоки;
дорожки;
двери;
ангары.

Проанализировав написанное выше, можно с полной уверенностью сказать, что цементно-стружечные плиты — это экономический перспективный материал, совокупными свойствами которого ни один материал на современном строительном рынке не обладает.

В магазине «Ремонстр» вы сможете приобрести данный листовой материал по выгодной цене и на выгодных условиях.

Вам могут понравиться

ЦСП 10 мм (3,2х1,25 м)

ЦСП 12 мм (3,2х1,25 м)

20 мм ЦСП плита цена за лист размера 20мм 3200х1250 мм

Характеристики
Распил на одинаковые фрагменты
Распил по спецзаказу

org/PropertyValue»> org/PropertyValue»>

Толщина	20 мм
Формат	3200*1250 мм
Вес	104.0 кг
Площадь листа, м²	4,00 кв.м.
Плотность	1250 кг/куб. м.
Объём	0,080 куб.м.
Длина	3200 мм
Ширина	1250 мм
Состав, древесина	цемент, древесная стружка, вода, хим. добавки
Обработка торцов	не обработаны
Тип	ЦСП
% разбухания за 24 ч	2

Плита ЦСП (цементно-стружечная плита) 20х3200х1250мм

Плита ЦСП (цементно-стружечная плита) 20х3200х1250мм это в первую очередь качественный и безопасный для здоровья человека материал, который активно применяется в современном строительстве. ЦСП это композитные строительные плиты состоящие из стружки хвойных пород деревьев (24%), Портландцемент М500 (65%), Вода (8,5%) и минерализующих добавок (2,5%).
Благодаря органическому соединению этих материалов, плита ЦСП 3200х1250х20мм являет собой однородный, единый материал без воздушных прослоек, что обеспечивает этому материалу высокую теплопроводность.
Цементно-стружечная плита 3200х1250х20мм может использоваться в качестве черновых полов. Обычно пол в деревянном (каменном) доме устраивают по лагам с шагом от 400мм до 600мм, для таких целей целесообразно использовать плиту с толщиной от 20 до 32мм. С помощью этих плит можно постелить основание под теплый пол, а так же для чистых полов с покрытием.

Распил на одинаковые фрагменты

Тут скоро можно будет расчитать распил.

Распил по спецзаказу

Тут скоро можно будет расчитать распил по спецзакзу.

Гипсокартон или цементно-стружечные плиты?

Я приветствую вас, мои дорогие читатели!

В связи с наступившим весенне-летним сезоном хочу представить вам наиболее востребованные материалы, применяемые в конструкционном строительстве. Это листовые покрытия, изготовленные на различных основах и имеющие разное предназначение.

Для выбора этих материалов нужно учитывать всё: место, где они будут монтироваться, их эксплуатационные нагрузки, влажность помещения и так далее. Рассмотрим два вида таких покрытий, которые популярны при отделке домов и квартир — это ГКЛ — гипсокартонные листы и ЦСП цементно-стружечные плиты.

Гипсокартон и ЦСП. Сравнение характеристик

Лист гипсокартона представляет собой трехслойную конструкцию. Наружные листы из строительного картона, занимающие 6% от общей массы, заполнены алебастром (гипсовой смесью), смешанной с вспомогательным веществом, которым может послужить, например, крахмал (1%).

Существуют и модификации гипсокартона, полученные другими наполнителями средней части и пропиткой картонных наружных листов. Таким образом, получают гипсокартон огне- и влагостойкий. Цементно-стружечные плиты изготавливают из цемента и древесной стружки с использованием специальных прессов.

Главные характеристики, которые надо учесть при выборе ГКЛ и ЦСП:

Таблица

Наименование

Плотность, кг/м3

Прочность на изгиб, М Па

К-т теплопроводности

Вт/м. к

Звукоизоляция, дб

Паропроница-емость,

мг/(м·час·Па)

Горючесть

ГКЛ

850

3,5-13,5

0,15-0,20

28-32

0,15

Группа Г1

ЦСП

1250-1400

9-12

0,25-0,3

35-40

0,23

Группа Г1

Есть ли говорить о плотности (весе) конструкции, то самым лёгким будет сооружение из мягкой плиты ДВП, средним — из ГКЛ, а самым тяжелым — из ЦСП. При сравнении прочности на изгиб материалов ГКЛ и ЦСП выигрывает ЦСП, его прочность больше. Кстати, по плотности также материал ЦСП значительно превосходит ГКЛ.

Что касается теплопроводности, то при теплоизоляции помещений надо выбирать материал с меньшим значением коэффициента, здесь проигрывает ЦСП — 0,26 против 0,18 Вт/м.к.

Но если, напротив, нужно равномерно распределить тепло, например в подогреваемом полу, то ЦСП с успехом можно использовать, а гипсокартон для этого не предназначен. Важный параметр при формировании «пирога» стены или пола при устройстве теплоизоляции — это паропроницаемость, которая для данных материалов не сильно отличается. Оба вида плит также относятся к группе Г1 – слабогорючие материалы.

Свойства и использование гипсокартона

Даже для неопытного строителя самый простой способ обшить и выровнять стены — это использование гипсокартона. Он позволяет не мучиться со штукатуркой и с легкостью спрятать перепады стен до 2 см. Следует заранее провести коммуникации, чтобы скрыть их гипсокартоном.

Особенности помещения влияют на выбор материала. В обычном сухом помещении можно использовать гипсокартон, в комнатах с повышенной влажностью — гипсоволокно. Но, поскольку последний материал тяжелее и дороже, то чаще выбирают ГКЛ или ГКЛВ с последующей обкладкой плиткой.

Утеплённый гипсокартон со слоем минеральной ваты или полистирола часто используется в индивидуальном строительстве для внутренней обшивки стен. На больших площадях будет незаметна толщина такого материала, равная 4 см. Кроме листов гипсокартона необходимо приобрести армирующую сетку и шпаклевку для швов, а также гипсовый клей. Внешние углы укрепляются металлическим профилем.

Гипсокартон — материал экологичный, с отличными звукоизолирующими свойствами. Его важные особенности это:

способность вбирать в себя излишек влаги в сыром помещении, отдавать его обратно в сухом;
гибкость, благодаря которой в современных жилищах сегодня возводятся самые причудливые дизайнерские конструкции;
кислотность гипсокартона приравнивается к кислотности кожи человека, для которого микроклимат помещения становится комфортным.

Гипсокартонные листы бывают нескольких типов, из которых чаще всего используются два: ГКЛ — обычный гипсокартон, ГКЛВ — влагостойкий. Их сложно перепутать, они отличаются цветом — первый вариант — серого цвета, второй — зелёного.

Для изогнутых конструкций, а также для потолков применяют листы гипсокартона толщиной 6-9,5 мм, выравнивают стены ГКЛ в 12,5 мм, а для межкомнатных перегородок, прочных и звукоизолирующих, используют гипсокартон толщиной 15-24 мм. Вес гипсокартоновых листов составляет не более 1 кг/м2.

Ещё этот материал может служить для создания арок и ниш, монтажа оконных откосов. С течением времени он не деформируется. При построении межкомнатных перегородок гипсокартон выигрывает даже у кирпича, поскольку он легок, работы будут произведены быстрее и дешевле. Но только в том случае, если на перегородке ничего не планируется вешать тяжелого, нагрузка не должна превышать 30 кг/м2.

Достойным аналогом ГКЛ выступают цементно-стружечные плиты, если принимать во внимание их огнестойкость и звукоизоляцию, экологичность и невысокую стоимость. Минусами является отсутствие гибкости, большой вес, но у этого материала есть и свое предназначение, о чём я расскажу ниже.

Цементно-стружечные плиты

Современная цементно-стружечная плита (ЦСП) изготовлена по инновационным технологиям и обладает высокими техническими характеристиками, которые превышают свойства других листовых строительных материалов.

Каковы же ключевые преимущества ЦСП? В производстве плиты используют кроме цемента и древесной стружки вещества, которые исключают конфликт материала. Полученный многослойный материал уплотняется гидравлическим прессом. Результатом являются прекрасные показатели по звукоизоляции, водопоглощению, плотности, морозо- и огнестойкости и так далее.

Плиты ЦСП легко обрабатываются, они стойки к температурным перепадам, образованию плесени. Зная, что цементно-стружечные плиты содержат стружку, отделочники и строители, в первую очередь, интересуются, не горючи ли они?

Испытания показывают, что в полыхающем доме плите ЦСП нужно целый час контактировать с огнем, чтобы возгореться. После возгорания ЦСП не образуются продукты горения, которыми можно отравиться, ввиду отсутствия химических компонентов в составе: цемент — 58%, вода — 9%, стружка — 30%, а также сульфат алюминия — 1,5%, и жидкое стекло — 1,5%. Чтобы быть уверенным в качестве этого материала при выборе, следует ориентироваться на эти значения, указанные на упаковке.

Каково же применение такого материала, недостатком которого является разве что повышенный вес листа? ЦСП оптимально подходит для использования, как в общественном строительстве, так и в частном, в качестве наружной и внутренней отделки, межкомнатных перегородок, подготовки к финишной отделке напольного покрытия. Одна из важных целей использования — повышение звуко- и теплоизоляционных свойств в помещении. При этом производитель заявляет срок службы материала — 50 лет!

При покупке вы всегда сможете рассчитать нужное количество материала благодаря стандартным размерам листов:

ширина листа ЦСП — 1,2-1,25 м;

длина — 2,7/3,2/3,6 м;

толщина составляет от 8 до 36 мм.

Если возьмем один лист с определённой шириной и длиной, то его вес будет изменяться в зависимости от толщины, например, при размерах 1,25 х 3,2 м масса листа равняется 54 кг при толщине 10 мм, а уже при толщине 16 мм — 80 кг.

Сразу уточню, что резать такие плиты лучше в производственных помещениях специальным инструментом, поскольку работа сопровождается большим количеством пыли. Если вы всё же решите это сделать, то используйте циркулярную пилу или «болгарку», предварительно смочив плиту водой и приготовив пылесос.

В нашей стране есть несколько проверенных производителей цементно-стружечной плиты, выпускающих замечательный качественный продукт. Это предприятия по выпуску ЦСП в Тамбовской, Петербургской, Костромской, Омской областях и Стерлитамаке. Они работают на новейшем европейском оборудовании.

В заключение хочу сказать, что плюсы гипсокартона в том, что он пригодится вам, как для обшивки ровных стен, так и других поверхностей, а также для создания замысловатой конструкции. Про ЦСП можно сказать, что благодаря таким плитам вы обеспечите высокую звуконепроницаемость, сохраните тепло в доме. Но есть один нюанс: при укладке цементно-стружечных плит оставляйте между ними зазор в 2-3 мм для возможного изменения размера плиты под воздействием влаги. Швы при этом можно заполнить шпаклевкой.

Удачного выбора и успешного последующего строительства!

Ваш Кузьмич.

Компоненты для тепловых транспортных систем Gen3 CSP

h. Составные части для тепловых транспортных систем Gen3 CSP

В поддержку энергоаккумулятора Министерства энергетики США Grand Challenge [1], эта подтема ищет предложения по дизайну компонентов для нового поколения концентрирующих солнечно-тепловой энергии (CSP) технологии.

Технологии CSP могут использоваться для вырабатывать электроэнергию путем преобразования энергии солнечного света в энергию турбины. SETO разрабатывает технологии CSP следующего поколения (Gen3 CSP), которые направлены на доставить тепло к турбине на основе сверхкритического диоксида углерода (sCO2) на уровне или выше 700°С. Программа Gen3 CSP [2] определила несколько сред теплопередачи (HTM). это показало многообещающие результаты в достижении целей SETO по стоимости электроэнергии в размере 0,05 доллара США за кВтч. Затем программа была организована по фазам вещества для ведущих ГТМ — газ, жидкость, или твердое. Выпущенное в 2017 году исследование дорожной карты Gen3 описывает лучшие понимание потенциальных технологий Gen3 [3]. С 2017 года дополнительные актуальные исследования и анализ стали достоянием общественности [4-8].

На высоком уровне кандидат Тепловые транспортные системы Gen3 CSP основаны на:

· Смеси хлоридных солей . Смесь магния хлорид, хлорид натрия и хлорид калия (MgCl2-NaCl-KCl) является ведущим Кандидат HTM на основе соли для Gen3. Основные препятствия для использования парадигм Gen3 этот НТМ в ресивере включает катастрофическую коррозию в присутствии кислород или влага, низкая теплопроводность, ограничивающая максимальный тепловой поток на ведущих приемниках из никелевого сплава и риск замерзания. Жидкая фаза Gen3 команда определила, что ресивер с жидким натрием в конечном счете менее опасен, чем приемник хлоридной соли с доступными в настоящее время технологиями, однако это соль остается ведущим выбором команды Gen3 для транспортировки энергии вверх и вниз. вниз по башне и выступать в качестве носителя тепловой энергии (TES).

· Сверхкритические жидкости . Сверхкритический углерод диоксид (sCO2) рассматривался как HTM для газофазной системы Gen3. Основные препятствия парадигме Gen3 с использованием этого HTM в приемнике включают: высокое давление и низкая теплопроводность ограничивают максимально допустимый поток на приемниках из никелевого сплава; высокие паразитные потери в кровообращении значительно под влиянием перепада давления в ресивере; ползучесть и усталостное разрушение получатель; и более высокая температура на выходе ресивера, необходимая для дополнительного перепады температуры в непрямых системах накопления тепловой энергии (таких как кровати).

· Частицы . Песчаные частицы могут избежать многие проблемы, связанные с жидкостными высокотемпературными системами, связаны с способность работать при атмосферном давлении и с ограниченной коррозией или термической риск стабильности. Проблемы включают: ограничения работоспособности; риск частицы разложение со временем при температуре; ограничения масштабирования; эффективность тепла обмен в ресивере и первичном нагревателе; и общие проблемы в частицах транспорт и регулирование массового расхода.

Для дальнейшего развития Gen3 CSP систем и обеспечить их реализуемость на рынке, возникает необходимость проектирования, создавать и тестировать компоненты системы Gen3, которые будут экономически выгодны в будущие заводы Gen3. Ожидается, что заявители будут включать дизайн, осуществимость, и подтверждение стоимости новых или улучшенных компонентов и подсистем во время их заявка I фазы; испытания в лабораторных масштабах и изготовление прототипов таких Компоненты представляют интерес для приложений Фазы II.

Ниже приведены специальные компоненты, которые представляют интерес для разработки и желаемой производительности параметры, которые будут поддерживаться в этом подразделе:

Компоненты

· Получатели:

или Тепловой КПД > 90%.

о Стоимость < 75 $/кВтч (только ресивер; без башни и трубопровода).

о Общая стоимость системы приемника, включая градирню, трубопровод и холодную соль насос < 150 $/кВтч.

о Срок службы > 10 000 циклов.

о Применимо к работе с газом, частицами или расплавленной солью при >750°С.

· Насосы для горячей и холодной соли:

o Рассчитан на работу при температуре 720°C.

о Рабочая мощность менее 5% от годовой выработки установки. Разработчики может сосредоточиться на подкомпонентах насосов и производственных процессах для них. подкомпоненты, такие как подшипники, рабочие колеса, валы.

· Элеваторы частиц:

о Рассчитан на работу при температуре 750°C.

о Рабочая мощность <5% от годовой производительности установки.

· Система хранения тепловой энергии:

o Конструкция защитной оболочки для хранения твердой и жидкой тепловой энергии на 720°С.

о Целевая стоимость 15 $/кВт.ч.

о Энергетическая эффективность >99%; эксергетический КПД >95%.

· Баланс заводских систем:

o Низкая стоимость трубопровода.

о Недорогая изоляция труб и защитной оболочки для работы при температуре 720°C.

о Проектирование и производство клапанов и фитингов на 720°C операции, включая обратные клапаны, регулирующие клапаны, задвижки и задвижки для твердых тел.

· Теплообменник

o Искали конструкции теплообменников для твердых частиц, соли и газа в sco2.

о Целевая стоимость энергоблока 150 $/кВтч.

о Температура на выходе sCO2 720°C.

о Эффективность 90-95% в зависимости от основного носителя.

Вопросы – контактное лицо: solar. [email protected]

Концентрирующие солнечные энергетические системы поколения 3 (Gen3 CSP)

Офис технологий солнечной энергии

Программа финансирования систем концентрированной солнечной энергии поколения 3 (Gen3 CSP) основана на предшествующих исследованиях технологий высокотемпературной концентрации солнечной тепловой энергии (CSP). Проекты были сосредоточены на снижении рисков технологий CSP за счет усовершенствования высокотемпературных компонентов и разработки интегрированных сборочных конструкций с аккумулированием тепловой энергии, которые могут достигать высоких рабочих температур. Рабочие температуры установки CSP выше 700° по Цельсию могут снизить стоимость систем CSP за счет повышения эффективности установки. Существует несколько способов достижения более высоких температур для установок CSP — с использованием жидких, твердых частиц или газообразных материалов — и эта программа финансирования направлена на определение и создание рентабельного и надежного интегрированного решения.

25 марта 2021 года Министерство энергетики США (DOE) объявило, что твердые частицы обеспечивают наиболее многообещающий путь к достижению более высоких температур на заводах CSP для достижения целевых показателей затрат к 2030 году. Проект возглавляет Sandia National Laboratories, которая получит около 25 миллионов долларов на строительство интегрированного испытательного центра для установок CSP следующего поколения, использующих твердые частицы. Узнайте больше о проекте и почему он был выбран.

Эта программа финансирования была запущена 15 мая 2018 года, когда Министерство энергетики объявило о выделении 72 миллионов долларов США для финансирования этих усилий, в том числе 63 миллиона долларов США на конкурсный запрос Gen3 CSP и 15 миллионов долларов США на дополнительную поддержку национальных лабораторий для выбранных Gen3 CSP. . 31 мая 2018 г. Министерство энергетики объявило о выделении дополнительных 7 миллионов долларов на пять проектов, выбранных в качестве альтернативных.

Подход

Три команды соревнуются в построении интегрированной системы хранения тепловой энергии, способной эффективно получать солнечное тепло и доставлять его в рабочее тело при температуре выше 700 °C.

Эта программа будет проходить через три взаимосвязанных этапа:

Фаза 1 продвигает разработку конкретных компонентов, которые были определены как ключевые риски в эффективной интегрированной системе.
На основе результатов Этапа 1, Этап 2 был сосредоточен на разработке интегрированной системы с аккумулированием тепловой энергии, способной выдерживать высокие температуры. Проекты, разработанные лауреатами Фазы 2, прошли тщательный процесс проверки и отбора.
На этапе 3 один победитель был выбран для создания испытательного центра, который позволяет различным группам исследователей, лабораторий, разработчиков и производителей тестировать компоненты и системы в широком диапазоне рабочих условий, необходимых для продвижения следующего поколения технологии CSP.

Награды были разделены на две темы:

Победители Темы 1 выполнили общую интеграцию и системный анализ, а затем завершили дизайн, прежде чем перейти к одному пути и одному получателю. Выбранный лауреат построил испытательный стенд и провел исследования.
Лауреаты Темы 2 спроектировали и построили компоненты для систем CSP и провели сквозное фундаментальное тестирование в дополнение к направлениям, выбранным в Теме 1.

Цели

Ключом к снижению стоимости электростанций CSP является повышение температуры тепла, которое они подают в энергетический цикл, чтобы повысить эффективность станции и снизить затраты. Высокотемпературные тепловые системы Gen3 CSP могут снизить стоимость системы CSP примерно на 0,02 доллара США за киловатт-час (кВтч), что составляет 40 процентов пути к цели офиса солнечной энергии на 2030 год в размере 0,05 доллара США за кВтч для конфигураций с базовой нагрузкой. . Эта цель по затратам очень конкурентоспособна по сравнению с другими генераторами электроэнергии с возможностью диспетчеризации и позволит подключить к сети больше солнечной энергии, а также повысит ее стоимость.

Варианты CSP Gen3

Конкурсный тендер Gen3 CSP на сумму 62 миллиона долларов США профинансировал 11 проектов в двух тематических областях. Проекты Темы 1 и Темы 2B прошли через три этапа работы, а Тема 2A прошла через два этапа работы. Победители Темы 1 смогли использовать компоненты и тесты, разработанные в Теме 2А.

Избранные

— Суммы вознаграждения и доли затрат могут быть изменены в ожидании переговоров –

Тематическая область 1: Интегрированные системы Gen3

—Суммы финансирования, перечисленные ниже, предназначены для работы, выполненной на Этапе 1 и Этапе 2. Приблизительно 25 миллионов долларов США выделено победителю Темы 1, выбранному для перехода к Этапу 3: Sandia National Laboratories.—

Brayton Energy 1

Название проекта: Разработка и демонстрация газофазной системы Gen3
Местоположение: Hampton, NH
Сумма премии Министерства энергетики: 7 570 647 долл. США
Призер Доля затрат: 1 899 003 долл. США
Главный исследователь: Шон Салливан
Краткое описание проекта: фазы Gen3 и, в случае выбора для третьей фазы, превращается в испытательный центр. Испытательная система мегаваттного масштаба будет поглощать энергию из поля гелиостата и передавать ее в систему хранения тепловой энергии, сохраняя девять мегаватт-часов тепла при температуре 750 ° C в течение как минимум десяти часов. Затем энергия переходит в рабочую жидкость, эффективность которой может достигать 9.9 процентов, создавая решение CSP, которое позволяет использовать возобновляемые источники энергии по требованию.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии 1

Название проекта: Liquid-Phase Pathway до Sunshot
Расположение: Golden, CO
DO : Craig Turchi
Резюме проекта: Эта группа будет тестировать следующее поколение жидкофазной технологии концентрирования солнечной тепловой энергии, продвигая нынешнюю технологию электростанций с расплавленной солью к более высоким температурам и эффективности. В рамках проекта будет спроектирована, разработана и испытана тепловая система мощностью 2 мегаватта, состоящая из солнечного ресивера, резервуаров для хранения тепловой энергии и связанных с ними насосов, теплообменников, трубопроводов, клапанов, датчиков и систем обогрева. Если система будет выбрана для третьего этапа, она будет проверена на испытательном стенде коммерческого масштаба.

Sandia National Laboratories 1

Название проекта: Gen3 Пилотная установка частиц: интегрированная система высокотемпературных частиц для CSP
Местоположение: Albuquerque, NM
DO. $6 676 553
Главный исследователь: Клиффорд Хо
Резюме проекта: В рамках этого проекта будет разработан и испытан многомегаваттный тепловой приемник падающих частиц, концентрирующий солнечную тепловую энергию (CSP) на первых двух этапах CSP Gen3. Он будет иметь возможность работать в течение тысяч часов, обеспечивать 6 часов хранения энергии и нагревать рабочую жидкость, такую как сверхкритический диоксид углерода или воздух, до температуры не менее 700 °C. На этапе 3, если он будет выбран, команда подтвердит способность соответствовать целям CSP по затратам и производительности Solar Energy Technologies Office с помощью испытательного центра коммерческого масштаба.

Тема Область 2A: Разработка отдельных компонентов

Brayton Energy 2

Название проекта: Интегрированная тепловая теплообменница. Сумма: 1 181 603 долл. США
Призер Доля расходов: 295 740 долл. США
Главный исследователь: Джим Нэш
Резюме проекта: Эффективное и экономичное решение для зарядки и разрядки тепла от накопителей тепловой энергии (TES) в средах является критически важной потребностью разработки чтобы поддерживать устойчивое производство электроэнергии от концентрирующих солнечных энергосистем. В рамках этого проекта будет разработана и испытана технология теплообменника, которая может интегрироваться с различными передовыми средами и системами TES. Производительность и стоимость этого интегрированного TES будут сравниваться с другими технологиями хранения для возможного включения в испытательный центр Gen3 CSP Topic 1.

Hayward Tyler

Название проекта: Разработка технологии высокотемпературных сплавных солевых насосов для Gen3 Solar Power Systems
Местоположение: Colchester, VT
DOE. $620 523
Главный исследователь: Бенджамин Харди
Резюме проекта: Этот проект направлен на разработку плана усовершенствования существующей технологии вертикального насоса горячей соли с длинным валом. Команда проведет исследования и разработает испытательный стенд, чтобы дать рекомендации по типам материалов для погружных подшипников, которые будут использоваться в конструкции насоса Gen3. Они также разработают конструкции насосов, которые могут эффективно работать в целевых горячих и холодных средах с расплавленными солями, используя подшипники и материалы, рекомендованные в ходе испытаний этого проекта.

Massachusetts Institute of Technology 1

Project Name: Ceramic Castable Cement Tanks and Piping for Molten Salt
Location: Cambridge, MA
DOE Award Amount: $1,771,798
Awardee Cost Share: $443,033
Главный исследователь: Асегун Генри
Резюме проекта: Эта группа разработает керамические литейные цементы, которые будут использоваться для резервуаров-аккумуляторов и трубопроводов, по которым транспортируется и хранится высокотемпературный расплав солей при температуре 750 °C. В рамках этого проекта также исследуются инженерные высокотемпературные цементы, которые можно использовать для формирования самоизолирующего резервуара для хранения тепла. Эти керамические литейные цементы разрабатываются химически, чтобы противостоять коррозии и проникновению высокотемпературных солей, представляющих интерес для жидкостного пути.

Массачусетского технологического института 2

Название проекта: Высокотемпературные насосы и клапаны для Molten Salt
Местоположение: Cambridge, MA
DO. Главный исследователь: Асегун Генри
Резюме проекта: В рамках этого проекта будут разработаны высокотемпературные жидкофазные насосы и клапаны, в которых используются новые металлокерамические композиционные материалы, устойчивые при высоких температурах, вместо стали или сплавов на основе никеля, для создания компонентов, способных надежно работать с расплавленными солями при температуре 750 °C. В этом проекте будут использоваться недорогие новые огнеупорные материалы и процессы для придания этим материалам сложных форм, необходимых для изготовления компонентов насосов и клапанов. Они протестируют интеграцию этих компонентов как в жидкостные насосы, так и в клапаны и исследуют, возникают ли какие-либо новые механизмы коррозии из-за протекания солей через насосы по сравнению с застойной солью. Это позволит масштабировать жидкостный насос, который может быть реализован в многомегаваттном контуре потока расплавленной соли с высокой надежностью и использоваться на этапе 3 программы Gen3 CSP.

Mohawk Innovative Technology

Название проекта: Циркулятор теплопередачи с высокой температурной трансфертом
. Главный исследователь: Hooshang Heshmat
Резюме проекта: Целью этого проекта является разработка необслуживаемого и не требующего масла циркуляционного насоса с высокотемпературным теплоносителем (HTF) для газовых концентрирующих солнечных теплоэнергетических систем Gen3 на основе исследований. , проектирование и тестирование. Циркуляционный насос HTF будет спроектирован с учетом простоты системы, работы без обслуживания, высокой надежности и снижения капитальных и эксплуатационных затрат за счет изоляции привода от HTF и разработки фольгированных газовых подшипников и уплотнений, которые могут использовать HTF в качестве смазки.

Powdermet

Project Name: High-Toughness Cermets for Molten Salt Pumps
Location: Euclid, OH
DOE Award Amount: $1,326,384
Awardee Cost Share: $331,727
Principal Investigator: Joseph Hensel
Резюме проекта: Эта группа будет разрабатывать высокопрочные металлокерамические композитные материалы (керметы), обеспечивающие минимальное трение в жидкостях с плохой смазкой и устойчивые к эрозии и износу. В рамках проекта будет построен насос для жидкости и испытательная установка для компонентов, которая анализирует эти материалы в среде расплавленных хлоридных солей, исследует проектные допуски и определяет экономическую эффективность керметов. Эта работа может позволить изготовить долговечные насосы, не требующие особого ухода, для концентрирующих солнечных энергосистем.

Purdue University

Project Name: Robust High-Temperature Heat Exchangers
Location: West Lafayette, IN
DOE Award Amount: $1,960,745
Awardee Cost Share: $499,945
Principal Investigator: Kenneth Sandhage
Резюме проекта: Эта команда разработает высокоэффективный теплообменник на основе нового металлокерамического композитного материала (кермет) для переноса высокотемпературных (более 750 °C) расплавленных хлоридов со сверхкритическим диоксидом углерода в качестве рабочего тела для преобразования энергии в энергоблоке концентрирующей солнечной теплоэнергетической установки. Более высокая прочность на разрыв и теплопроводность при 800 °C этих керметов вместо металлических сплавов позволят команде разработать более компактные и недорогие теплообменники, чем это было бы возможно в противном случае. За счет адаптации поверхности кермета и химического состава жидкости керметы также обладают способностью выдерживать термоциклирование и тепловой удар, а также противостоять коррозии от расплавленных солей и жидкостей на основе сверхкритического диоксида углерода.

Тема Область 2B: Gen3 Research and Analysis

Институт исследований электроэнергии

Название проекта: Усовершенствование экономики Gen3 CSP Система CSP и применение высоких датчиков Nickel-Nickel-Alloys 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015

Местонахождение: Пало-Альто, Калифорния
Сумма премии Министерства энергетики США: 1 499 901 долларов США
Доля получателя в расходах: 222 229 долларов США
Главный исследователь: Джон Шинглдекер
Резюме проекта: Чтобы снизить затраты на высокотемпературную концентрирующую солнечную теплоэлектростанцию, эта группа изучит методы производства сплавов, которые ранее были разработаны для высокотемпературной работы в усовершенствованном ультрасверхкритическом паре.

Они изучат стоимость и эксплуатационные преимущества производства труб и труб из плоских листов после дальнейшей обработки, что может снизить капитальные затраты. Если эти альтернативные способы производства сплавов смогут производить трубы, срок эксплуатации которых аналогичен сроку службы труб, изготовленных из других сплавов на основе никеля, они могут снизить стоимость этих компонентов примерно на тридцать процентов.

Технологический институт Джорджии 1

Название проекта: Усовершенствованная характеристика потоков частиц для концентрации приложений для солнечной энергии
Местоположение: $ 1,35,35,915

111111111111111111111111111111111111111111111111111111111ЕСА.
Главный исследователь: Peter Loutzenhiser
Резюме проекта: Этот проект направлен на устранение пробелов в знаниях в области потоков твердых частиц для приложений по концентрации солнечной тепловой энергии (CSP).

Команда будет характеризовать поток и теплопередачу твердых частиц в различных рабочих условиях, включая температуру, размер частиц и конструкционный материал. Путем экспериментов и моделирования команда определит свойства, необходимые для входных данных при таких высоких температурах. Эти результаты послужат ориентиром для индустрии CSP в текущей работе, связанной с проектированием и моделированием приемников и реакторов солнечного тепла.

Технологический институт Джорджии 2

Название проекта: Измерения термофизической собственности на теплопереносную среду и материалы для сдерживания
Местоположение: ATLANTA, GA
DOE.
Главный исследователь: Шэннон Йи
Резюме проекта: В рамках этого проекта будут исследованы и проанализированы теплофизические свойства, поддерживающие интегрированную тепловую систему Gen3. Эта команда рассмотрит теплопроводность, температуропроводность и удельную теплоемкость в диапазоне температур и материалов, представляющих интерес для систем Gen3 CSP. Группа проведет измерения химических составов расплавленных солей, предложенных лауреатами в тематической области 1, и защитных материалов, включая сплавы, керамику и керметы, предложенные лауреатами в тематических областях 1 и 2A. Это исследование будет распространено для устранения пробелов в знаниях о теплофизических свойствах Gen3.

Rensselaer Polytechnic Institute

Название проекта: Разработка коррозионной кинетики на месте и измерения солевой недвижимости
Местоположение: Troy, NY
DOE. Главный исследователь: Ли (Эмили) Лю
Резюме проекта: В рамках этого проекта будут разработаны экспериментальные методы и методологии на месте для получения фундаментального понимания механизмов кинетики поверхностной коррозии расплавленной соли и свойств расплавленной соли. Для достижения этих целей будут разработаны четыре взаимодополняющих подхода: просвечивающая электронная микроскопия in-situ; нейтронная рефлектометрия расплавов солей и сплавов; макроскопические электрохимические исследования; анализ и моделирование колебательной спектроскопии. Заполняя пробелы в знаниях о свойствах высокотемпературных солевых расплавов и механизмах коррозии, это исследование может помочь в выборе солей и защитных материалов.

Университет Калифорнии, Сан-Диего

Название проекта: Неконтактная термофизическая характеристика твердых тел и жидкостей для концентрации солнечной энергии
Местоположение: La Jolla, CA
DOE. Доля затрат: 137 000 долларов
Главный исследователь: Ренкун Чен
Резюме проекта: Эта команда разработает метод бесконтактной характеризации, называемый модулированной фототермической радиометрией (МПР). Этот метод будет измерять высокотемпературные теплофизические свойства жидких теплоносителей и связанных с ними твердых тел, таких как трубки и покрытия, поглощающие солнечную энергию, в различных компонентах и подсистемах, используемых в установках по концентрации солнечной энергии (CSP). Технология MPR может обеспечить недорогое и быстрое определение характеристик жидких и твердых теплоносителей для установок CSP Gen3.

Университет Тулсы

Название проекта: Gen3d — Экспериментальная и численная разработка Gen3 Derability Life Model Главный исследователь: Тодд Отаникар
Резюме проекта: Эта команда разработает всеобъемлющую модель долговечности частиц и подложки, которая позволит лучше понять характеристики высокотемпературных компонентов для пути на основе частиц. Группа расширит существующие исследовательские возможности в области эрозии, коррозии, механики разрушения, макро- и микромасштабной характеристики материалов, а также характеристики тепловых и оптических свойств. Результаты будут использованы для разработки широкого понимания механической долговечности, которое можно использовать для определения срока службы компонентов и моделей ухудшения характеристик.

Узнайте больше о других наградах солнечного офиса за концентрацию солнечной энергии.

Варианты вызовов лаборатории CSP Gen3

В поддержку конкурса Gen3 CSP офис предоставил дополнительные 10 миллионов долларов США в виде финансирования национальным лабораториям для поддержки этих усилий. Эти лабораторные проекты предоставили оборудование и материалы для тестирования, необходимые для устранения критических барьеров в знаниях и подтверждения жизнеспособности путей Gen3 CSP. Проекты, направленные на обнаружение и характеристику основных свойств материалов, а также предоставление лабораторного оборудования для тестирования материалов, компонентов и систем Gen3 CSP. Выбранные лаборатории построили и эксплуатировали испытательные контуры, чтобы обеспечить рабочие условия при высоких температурах, необходимые для проверки концепций пути и комбинаций материалов, помогая определить более дешевые материалы, уменьшить количество повреждений компонентов и сделать интегрированные конструкции сборки способными выдерживать высокие температуры.

Лаборатории

Национальная лаборатория штата Айдахо
Название проекта: Поведение ползучесть и повреждение. $1,000,000
Главный исследователь: Michael McMurtrey
Резюме проекта: Для решения критической проблемы, связанной с конструкциями газовых ресиверов CSP Gen3, в этом проекте будет представлен подробный анализ характеристик ползучести и усталостных повреждений компонентов концентрирующей солнечной тепловой энергии. (CSP) тепловой ресивер. Усталостная деформация ползучести является важным фактором для теплового приемника газофазной системы CSP из-за постоянного статического напряжения или давления, ежедневных циклов и повышенных рабочих температур, необходимых для эффективной работы. В рамках проекта также будет разработана дорожная карта для проектирования компонентов солнечного приемника, способных выдерживать усталостную усталость при высоких температурах и разрушение с храповым механизмом.
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии 2
Название проекта: Термофизические свойства с расплавленным хлоридом: Golden, CO
: $ 9016.
Краткое описание проекта: Эта группа будет заниматься теплофизическими свойствами и обращением с расплавленными хлоридными солями, которые можно использовать как в качестве теплоносителя, так и в качестве материала для хранения тепловой энергии. Они будут исследовать очистку коммерческих солей, оптимизацию химического состава и процедуры обработки для концентрирования солнечной тепловой энергии. Они также создадут и опубликуют руководства и протоколы, необходимые для получения точных и надежных теплофизических свойств расплавленных хлоридных солей.
Окриджская национальная лаборатория 1

Название проекта: Сравнение характеристик защитного слоя для ингибирования коррозии в расплавленных хлоридных солях посредством межфазных исследований в молекулярном масштабе 955 000 долл. США
Главный исследователь: Картер Эбни
Краткое описание проекта: Расплавленные хлоридные соли легко разъедают внутренние конструкции концентрирующих солнечных тепловых установок, когда они используются в качестве теплоносителя, что представляет собой значительный барьер для коммерциализации технологии. В рамках этого проекта будет подготовлена серия образцов материала, аналогичного конструкционному сплаву солнечного приемника, контактирующего с солью на основе хлорида. Эти образцы будут изучены для изучения структуры этих интерфейсов на месте. Результаты этих исследований будут определять стратегии по снижению коррозии и проектированию концентрирующих солнечных тепловых электростанций для победителей Gen3 CSP.

Национальная лаборатория Oak Ridge 2

Название проекта: Включение высокотемпературной расплавленной соли CSP через предприятие для облегчения солевой технологии
Местоположение: Oak Ridge, TN
DOE. Главный исследователь: Кевин Робб
Краткое описание проекта: Этот проект посвящен проектированию, строительству и эксплуатации лабораторного испытательного стенда для снижения рисков, связанных с технологиями использования соли (FASTR). FASTR — это универсальная установка для высокотемпературного расплава хлоридных солей, предназначенная для температур выше 700°C и для проведения различных испытаний в поддержку пути получения расплавленных солей Gen3 CSP. FASTR и сопутствующие исследования предоставят базовые возможности, необходимые для поддержки лауреатов Gen3 CSP.

Национальная лаборатория Oak Ridge 3

Название проекта: Доступление к оценке совместимости в плавных расплавленных солях
Местоположение: $
DOE. Резюме проекта: Чтобы ускорить испытания совместимых сплавов с расплавленными хлоридными солями, в рамках этого проекта будут определены комбинации соль-сплав, которые совместимы при испытаниях в изотермической капсуле, а затем будут проведены эксперименты с петлей тепловой конвекции (TCL) с пиковой температурой не ниже чем 700°C и типичный температурный градиент от 75° до 100°C. Последующие эксперименты TCL будут исследовать более высокие температуры, различные сплавы, стратегии ингибирования коррозии, а также использовать датчики для контроля свойств соли и сплава.

Sandia National Laboratories 2
Название проекта: Характеристика радиационных, конвективных и потерь частиц в приемках с высокой температурной частиц
Расположение: Albuquerque, NM
DOE: Albuquerque, NM
DOE: Albuquerque, NM
DOE: Albuquerque, NM
DOE. : Clifford Ho
Краткое описание проекта: В рамках этого проекта будут снижены потери частиц и тепла в высокотемпературных (более 700°C) системах приема частиц с прямым облучением с использованием комбинации компьютерного моделирования и измерений гидродинамики частиц и теплообмена. пути. Это позволит повысить тепловую эффективность приемника, снизить затраты на приемник и смягчить потенциальные риски для здоровья от вдыхания мелких частиц.
Sandia National Laboratories 3
Название проекта: Механизмы теплопередачи частиц
Местоположение: Albuquerque, NM
Summer Summer: $ 455 000
. твердые частицы, жидкость или газ, которые передают тепло от приемника для выработки электроэнергии. Этот материал подается в теплообменник, который передает энергию рабочей жидкости, такой как сверхкритический диоксид углерода (sCO ₂). Этот проект будет измерять свойства теплопередачи плотно упакованных твердых частиц, чтобы увидеть, сколько солнечного тепла они могут поглотить и насколько хорошо они могут его передать. Результаты позволят улучшить конструкции установок CSP, использующих циклы sCO ₂, которые более эффективны, чем традиционные паровые турбины, и позволяют снизить затраты на электроэнергию.
Sandia National Laboratories 4
Название проекта: Петля сверхкритического диоксида углерода в поддержку 3-го поколения CSP для твердых, жидких и газовых путей
Местоположение: Альбукерке, Нью-Мексико
Сумма премии Министерства энергетики США: 3 600 000 долларов США
Резюме проекта: Для достижения более высокой эффективности концентрирующие солнечные электростанции могут использовать энергетический цикл Брайтона, конструкцию двигателя, в которой используется сверхкритический диоксид углерода (sCO 2 9069 ) в качестве жидкости для передачи тепла. Современные установки CSP используют паровые циклы Ренкина, в которых от 35% до 42% собранного тепла преобразуется в электричество. Энергетические циклы Brayton, использующие sCO ₂ в качестве рабочей жидкости, могут увеличить эту эффективность до 50% или выше. Этот проект разработает ШОС ₂ поддерживающий контур для охлаждения основного теплообменника в проекте пилотной установки в Теме 1 программы финансирования Gen3 CSP.
Национальная лаборатория реки Саванна
Название проекта: Полная петля Термодинамическая ингибирование коррозии и зондирование в системах Molten Chloride
Местоположение: Jackson, SC
DOE. -Diaz
Резюме проекта: Эта группа заполнит пробелы в знаниях о коррозии расплавленных солей в контурах теплопередачи с использованием расплавленных хлоридов при температуре не ниже 750°C. Они сосредоточатся на адаптации и адаптации стратегий снижения высокотемпературной коррозии к температурному диапазону Gen3 от 500° до 750°C и конструкциям систем Gen3. Будут определены потенциальные оптимизации в этом температурном диапазоне, чтобы использовать более дешевые конструкционные сплавы и поддерживать длительный срок службы компонентов установки CSP.
Узнайте больше о финансировании других лабораторий солнечного офиса.
Достижения в области концентрированной солнечной энергии: перспектива теплопередачи
Панель авторов Войти
Что такое открытый доступ?
Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.
Наши авторы и редакторы
Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах мира, включая лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.
Оповещения о содержимом
Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen
Как это работаетУправление предпочтениями
Контакты
Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:
Карьера
Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.
Глава в открытом доступе, рецензируемая экспертамиОпубликовано: 7 марта 2019 г.
DOI: 10.5772/intechopen.84575
СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО
Из отредактированного тома
Под редакцией Альфредо Иранзо 1160 загрузок глав
Просмотреть полные показатели
СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО
Рекламное объявление
Abstract
Солнечная энергия может снизить зависимость от истощающихся запасов ископаемого топлива за счет технологии концентрированной солнечной энергии (CSP). Установки CSP используют солнечную тепловую энергию для производства электроэнергии на основе различных термодинамических циклов мощности. Солнечные коллекторы, рефлекторы, ресиверы, теплоноситель и турбины являются основными компонентами каждой установки CSP и предполагают интенсивный теплообмен на всех этапах. В этой главе показаны тепловые характеристики основных компонентов, используемых в технологии CSP. Кроме того, в этой главе обсуждаются характеристики солнечного теплоносителя и его стабильные рабочие диапазоны. Теплоемкость, давление пара, объемное расширение, плотность и вязкость теплоносителя не должны существенно различаться при разных температурах на разных этапах эксплуатации, поскольку эти изменения могут привести к отказу системы, рассчитанной на фиксированные свойства материала. В настоящее время технология CSP связана с более высокой стоимостью по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой на газовых электростанциях. Прилагаются большие усилия для поиска устойчивых и недорогих материалов, чтобы минимизировать стоимость CSP. Одной из критических проблем, с которыми сталкивается технология CSP, является прерывистый характер солнца. Современные электростанции CSP включают в себя блок хранения тепловой энергии (TES), чтобы сгладить производство электроэнергии или перенести производство с часов пикового солнечного сияния на часы пикового спроса.
Ключевые слова
концентрированная солнечная энергия
накопление тепловой энергии
материалы, аккумулирующие явную и скрытую теплоту
термохимические материалы
1. Введение
Теоретически наиболее доступным источником энергии является солнечная энергия. Его можно использовать для производства электроэнергии с помощью термодинамического процесса и фотоэлектрического преобразования [1]. Первоначально фотоэлектрические технологии были созданы для преобразования солнечной энергии в электричество. В этой технологии солнечные элементы производят электричество под воздействием излучения. Величина напряжения, производимого на элементарную ячейку, очень мала; следовательно, сотни таких ячеек соединены последовательно и параллельно, чтобы, наконец, вырабатывать высокое напряжение для повседневного использования. Такие системы называются фотоэлектрическими батареями, которые доступны как в домашних условиях, так и на коммерческих предприятиях, подключенных к сети. В некоторых случаях солнечное излучение концентрируется на небольшой поверхности фотоэлектрических модулей, чтобы генерировать больше электроэнергии с небольшой поверхности фотоэлектрических модулей; однако такие системы имеют определенные последствия, такие как ускоренная термическая деградация [2]. Такие системы называются концентрированными фотовольтаиками (CPV). В дальнейших достижениях фотоэлектрические элементы интегрируются в здания для производства электроэнергии децентрализованными средствами [3].
Концентрированная солнечная энергия (CSP) — еще одна технология производства электроэнергии из солнечной энергии; однако он работает на принципах тепловой энергии. Солнечное излучение концентрируется в точке, откуда проходит термальная жидкость. Эта жидкость при высокой температуре и высоком давлении пропускается через энергоблок (турбину или двигатель) для выработки электроэнергии [4]. Процесс установки CSP показан на рисунке 1 [5]. Показаны компоненты установки CSP, включая отражатели, ресивер, теплоноситель и турбину/двигатели. Ниже приведено сравнение фотогальваники с концентрированной солнечной энергией. На рис. 1 показана недавняя конструкция установки CSP гелиостатного типа с системой накопления скрытого тепла, соединенной с энергоблоком. В этой конструкции солнечное излучение концентрируется с помощью зеркал-гелиостатов в точке на дне бака-аккумулятора тепловой энергии, содержащего материал с фазовым переходом (ПКМ), а именно в апертуре [5]. Резервуар оборудован вертикально расположенными натриевыми трубами, так что тепло может пассивно подаваться ко всей части резервуара из точки приема. Над баком находится термоклапан на стыке натриевых труб. Натрий в паровой фазе (при очень высокой температуре) поднимается через термоклапан (красные стрелки) и попадает в головку двигателя Стирлинга, где передает свою тепловую энергию энергии, конденсируется и течет вниз через воронку (синие стрелки). . Открытие и закрытие термоклапана регулирует поток паров натрия, и, следовательно, тепловая энергия поступает в силовой блок и в некотором роде регулирует выработку электроэнергии установкой. Концепция предложена и апробирована для электростанции в диапазоне мощностей 0,1–1 МВт электрической (МВт) [5]. В случае, когда требуется несколько двигателей Стирлинга, все они будут интегрированы в верхней части башни параллельно.
Рис. 1.
Новый компактный гелиостат полевого типа CSP со встроенным накопителем скрытого тепла; а) общая схема и б) крупный план теплоаккумулятора и двигателя Стирлинга [5].
Реклама
2. Сравнение фотогальванических технологий с концентрированной солнечной энергией
В следующем разделе проводится сравнение фотогальванических технологий с концентрированной солнечной энергией с точки зрения энергоэффективности и устойчивости систем.
2.1 Эффективность системы
Годовое производство электроэнергии на электростанциях CSP выше, чем на фотоэлектрических. Основная причина такой разницы в производстве электроэнергии заключается в том, что фотоэлектрические установки работают только в солнечные часы. В пасмурные дни или в ночное время мощность таких установок равна нулю. Установки CSP могут работать в течение продолжительных часов, потому что такие установки могут иметь дополнительное хранилище для тепловой энергии, которая используется, когда солнце недоступно, например, в ночное время [6]. Помимо этой особенности, эффективность фотоэлектрических установок со временем снижается из-за термической деградации и трещин в ячейке. Однако с точки зрения землепользования фотоэлектрические установки лучше производят больше электроэнергии с той же площади по сравнению с CSP. Это связано с тем, что фотоэлектрические модули занимают меньше места по сравнению с солнечными коллекторами и отражателями в CSP. Подсчитано, что современные фотоэлектрические установки работают при КПД преобразования солнечной энергии 14–22 % [7].
2.2 Устойчивость системы
Устойчивость системы является важным показателем, определяющим будущее любой технологии. Как правило, устойчивость системы определяется стоимостью систем, воздействием на окружающую среду и общественным признанием. Стоимость является основным показателем для выбора наиболее экономичной технологии среди всех доступных вариантов. Он включает в себя все виды затрат, включая затраты на запуск, установку, эксплуатацию и техническое обслуживание. Воздействие на окружающую среду является еще одним важным параметром, который учитывает воздействие любой технологии на окружающую среду с момента ее запуска до утилизации. Важность этого параметра при принятии решений постоянно возрастает из-за выбросов парниковых газов и последующего глобального потепления [7].
2.2.1 Стоимость
Как было сказано ранее, стоимость любой системы является наиболее важным фактором устойчивости системы. Вполне логично, что любая технология возобновляемой энергетики сможет проникнуть на рынок, если затраты, связанные с ее единичным производством, будут меньше удельных затрат на электроэнергию через сетевую станцию, работающую на ископаемом топливе. Он определяется как паритет сети и основан на приведенной стоимости электроэнергии (LEC), которую можно оценить с помощью уравнения. (1):
LEC=fcrIC+CO&MEel E1
, где f _cr — коэффициент аннуитета, IC — инвестиционные затраты, C _O&M — годовая стоимость эксплуатации и технического обслуживания, а E _el5 — годовая выработка электроэнергии , а коэффициент аннуитета можно рассчитать по уравнению. (2):
fcr=kd1+kdn1+kdn−1+kins E2
где k _d реальная процентная ставка по долгу, k _ins – годовой страховой тариф, а n – срок амортизации в годах [7].
В обоих случаях основным компонентом стоимости является первоначальная стоимость системы. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), расчетная начальная стоимость фотоэлектрической установки составляет от 2000 до 5200 долларов США/кВт, а для установок CSP – от 4 200 до 8400 долларов США/кВт. Кроме того, стоимость обслуживания PV составляет 1% от первоначальной стоимости. Это значение составляет примерно 2% от начальной стоимости в CSP. Разница в таких затратах обусловлена сложностью системы CSP. Интересно, что даже после разницы в первоначальных затратах и затратах на техническое обслуживание экономическая отдача и стимулы установки CSP выше по сравнению с установками PV. Фотоэлектрические технологии работают только в дневное время и полностью недоступны в часы пикового потребления электроэнергии. Технология CSP позволяет переносить производство на часы пикового потребления, а также использовать преимущества более высоких тарифных ставок в часы пикового потребления [7].
2.2.2 Воздействие на окружающую среду
Воздействие любой технологии на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла технологии является важной мерой для определения устойчивости системы. Подход, обычно рассматриваемый от колыбели до могилы, называется оценкой жизненного цикла (LCA). Что касается установок PV и CSP, то большая часть углеродного следа возникает во время производства/установки и разложения. На этапе эксплуатации воздействие на окружающую среду практически отсутствует [7, 8].
В случае фотоэлектрических установок основной причиной является производство фотоэлектрических элементов и модулей, а показатель выбросов парниковых газов составляет почти 50 г CO ₂ экв/кВтч для фотоэлектрических установок в течение всего срока службы установки согласно NREL. При этом речь идет о таких способах и материалах, которые представляют серьезную опасность для окружающей среды [7, 8]. В частности, материалы элементов второго поколения более опасны, а вдыхание кремниевой пыли опасно для рабочих, согласно заявлениям NREL. В КПВ проблема в основном из-за зеркал и коллекторной трубки. Институт также сообщил, что выбросы парниковых газов для установок CSP составляют от 22 до 23 г CO 9 .0694 2 экв/кВтч в течение жизненного цикла таких установок. В целом воздействие CPV на окружающую среду выше на протяжении всей жизни по сравнению с CSP [7, 8].
2.2.3 Социальное признание
Принятие новой технологии клиентами и конечными пользователями чрезвычайно важно для успеха технологии. В случае PV и CSP технология тепло приветствуется всеми обществами по всему миру. В основном такие заводы разрабатываются в Испании, США и Индии. Солнечная энергия используется в уличных фонарях, для перекачивания воды и приготовления пищи на солнечной энергии, в бытовых целях и в мегаэлектростанциях на уровне сети. Рост в обоих секторах постоянно увеличивается, поскольку стоимость технологии становится ниже, чем стоимость электроэнергии на основе ископаемого топлива. Кроме того, общественность осведомлена о чистом и бесшумном производстве электроэнергии. В основном CSP используется для крупномасштабных приложений; тем не менее, масштабы фотоэлектрических систем чрезвычайно велики: от бытового использования до интегрированных в сеть мегаэлектростанций [7].
Следующие разделы посвящены технологии концентрированной солнечной энергии (CSP) с различной конструкцией, теплоносителем и характеристиками теплопередачи.
Объявление
3. Теплопередача в концентрированных солнечных электростанциях
Основной принцип КСЭ заключается в улавливании, транспортировке и использовании тепловой энергии. На всех стадиях происходит теплопередача. Все режимы теплопередачи в CSP подробно описаны в следующем разделе.
3.1 Теплопередача излучением
Излучение — это энергия, испускаемая твердым телом, жидкостью или газом при определенной температуре. Это вещество также может рассеивать падающую на него лучистую энергию путем отражения и может быть способно к поглощению. Он подразделяется на две части: коротковолновая с высокой энергией, исходящей от солнца, и длинноволновая с низкой энергией, исходящей от источников с более низкой энергией [9]. Энергия излучения может быть сбалансирована в установках CSP как [10]
1−rS+L=L+H+λE+G E3
где (1 − r ) S представляет собой короткое излучение, L представляет собой длинное излучение, H представляет собой явную теплоту, λ E представляет собой скрытую теплоту и G представляет собой теплообмен путем проводимости.
Следовательно, чистая радиация равна
Rn=1−rS+L−L=H+λE+G E4
Полная энергия, поглощаемая системой, преобразуется в явную теплоту, скрытую теплоту и теплопроводность [10].
Солнечный свет включает в себя различные спектры длин волн, начиная от очень коротких (высокая энергия) до очень длинных (низкая энергия). Отношение длины волны и частоты задается как
λ=cν E5
, где λ — длина волны, ν — частота, а c — скорость света.
Для излучающей поверхности произвольного элемента площадью dA ₁ дифференциальный телесный угол dω может стягивать точку на дифференциальную площадь dA ₂ ; дифференциальный телесный угол можно определить как
dw=dA2r2 E6
, где дА ₂ — дифференциальная площадь.
Спектральное излучение ( G ) можно рассчитать как
Gλλ=∫02π∫02πIλλθ∅cosθdw E7
, где
dw=sinθdθd∅ E8
Суммарное излучение рассматривается как интенсивность излучения со всех сторон на единицу площади со всех направлений и на всех длинах волн
G=∫0∝Gλλdλ E9
В случае рассеянного излучения I _λ (λ) не содержит θ и φ как
Gλλ=πIλλ E10
Количество отраженного излучения – это скорость, с которой излучение с длиной волны λ покидает единицу площади поверхности на единичный интервал длины волны dλ . Его можно рассчитать как
Jλλ=∫02π∫02πIλ,e+rλθφcosθsinθdθdφ E11
Наконец, в большинстве случаев инженерные приложения для теплообмена используются для характеристики радиационного теплообмена между объектом и окружающей средой в зависимости от длины волны:
Q̇rad=σελAT4−T∞4 E12
, где σ — постоянная Стефана-Больцмана, 5,67 x 10 ⁻⁸ Вт/м ² K ⁴ , A — площадь поверхности объекта, T _∞ — температура окружающей среды.
3.2 Теплопроводность
Теплопроводность возникает из-за вибрации решетки в твердых телах и столкновения частиц в стационарных жидкостях. В твердом теле с градиентом температуры на поверхности та, у которой более высокая температура, испытывает более высокий уровень столкновения между частицами, поэтому она передает свою энергию соседним частицам, которые передают ее дальше [11]. Точно так же тепло передается от горячей поверхности к холодной до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние. Скорость теплопередачи за счет теплопроводности определяется законом Фурье как
Q̇cond=kAdTdx E13
, где A — площадь поверхности, k — теплопроводность, dT — температурный градиент между поверхностями, а dx — расстояние между поверхностями между измеряемыми теплопередачами.
В установках CSP теплопередача за счет проводимости всегда меняется со временем; вот почему необходимо понимать переходный характер кондуктивной теплопередачи. В некоторых сценариях при расчете теплопередачи на границе твердого тела и жидкости предполагаются сосредоточенные системы. Причина в том, что теплопроводность внутри твердого тела сравнительно незначительна по сравнению с передачей тепла от твердого тела к жидкости на его границе. Кроме того, необходимо подтвердить, что внутри твердого тела нет пространственных изменений температуры, чтобы гарантировать его сосредоточенность. Через определенное время система достигнет стационарного состояния, когда высокая тепловая энергия твердого тела будет передана низкотемпературной жидкости с достижением в конечном итоге того же уровня температур [12]. Время можно рассчитать как
T−T∞Ti−T∞=exp−hAsρVcpτ E14
где T – температура нагретого твердого тела, T _∞ – температура окружающей среды, T _i – начальная температура, h – коэффициент конвективной теплоотдачи A1, _с — площадь поверхности на границе твердое тело-жидкость, ρ — плотность жидкости, c _p — удельная теплоемкость, τ — тепловая постоянная времени. Константа может быть рассчитана как
τ=ρVcphAs=RC E15
, где R — конвективное сопротивление, а C — сосредоточенная емкость твердого тела. Чтобы подтвердить достоверность сосредоточенной емкости, число Био (Bi) можно рассчитать как
Bi=hLck=RcondRconv=LckA1hA=Ts,1−Ts,2Ts,2−T∞ E16
При значении числа Био менее 0,1 предполагается, что температура внутри твердого тела почти одинакова, а максимальная разница температур приходится на границу раздела твердое тело-жидкость. Перестановка уравнений дает нам
T−T∞Ti−T∞=exp−Bi.F0 E17
, где F ₀ — безразмерное число, характеризующее переходные проблемы и вычисляемое как
F0=kρcptLc2 E18
где L _c — характерная длина, которая различна для прямоугольной, цилиндрической и сферической систем координат [12].
Для прямоугольных координат, Lc=L
Для цилиндрических координат Lc=r2
Для сферических координат, Lc=r3
3.3 Теплопередача конвекцией
Теплопередача конвекцией происходит между движущейся жидкостью и ее ограничивающей поверхностью. Теплопередача может происходить естественным образом за счет эффекта плавучести, при котором среда движется из-за разности плотностей, вызванной изменением температуры. Это называется естественной конвекцией. Наоборот, жидкость можно принудительно проталкивать или перекачивать с помощью механических средств, таких как вентиляторы или насосы. Передача тепла таким путем называется принудительной конвенцией. Теплопередачу посредством конвекции можно измерить как
Q̇conv=hAsTs−T∞ E19
где h — коэффициент конвективной теплопередачи, A _s — площадь поверхности, T _s — температура горячей поверхности, T _∞ — температура окружающей среды. Диапазон значений коэффициента конвективной теплоотдачи для газов составляет 2–5 и 25–250 Вт/м ² К для естественной и вынужденной конвекции соответственно [12]. Диапазоны 50–1000 и 100–20 000 Вт/м ² К предназначены для жидкостей в случаях естественной и принудительной конвекции соответственно [12]. Для материалов с фазовым переходом (кипение и конденсация) диапазон составляет 2500–100 000 Вт/м 9 .0993 2 К [12]. Эта чрезвычайная разница в значении коэффициента используется в установках CSP, использующих тепловые трубы с кипением и конденсацией. В приложениях CSP закон охлаждения Ньютона (dt = T _s — T _∞ ) может предсказывать скорость теплопередачи с завышенной точностью. Более точный расчет коэффициента теплопередачи на единицу длины можно получить, используя [12]
∆Tlm=Ts−T∞−Ts−T0lnTs−TiTs−T∞ E20
, а выходную температуру жидкости, проходящей через трубу, можно рассчитать с помощью
Ts-TiTs-T∞=exp-πDNh¯ρVNTSTcp E21
, где S _T — поперечный шаг, D — диаметр трубы, N — количество труб, а ( час ) – среднее значение коэффициента теплопередачи. Наконец, теплопередачу можно получить с помощью следующих
Q̇′=Nh¯πD∆Tlm E22
Advertisement
4. Аккумулирование тепловой энергии в концентрированной солнечной энергии
Основное различие между фотоэлектрическими установками и электростанциями CSP заключается в дополнительном хранении солнечной энергии в CSP и использовании ее в наиболее требовательные часы для производства электроэнергии. Эта особенность делает КСЭ способной вырабатывать электроэнергию в вечернее время, время после закрытия офисов, когда потребность в электроэнергии достигает пика [13]. В то время производительность завода CPV равна нулю, и это создает большое несоответствие между спросом и предложением. Хотя решение для такого несоответствия состоит в том, чтобы хранить электроэнергию в крупных батареях в солнечные часы, чтобы поставлять ее в вечернее и ночное время, вариант с батареями является очень дорогостоящим и экологически неприемлемым. Солнечная энергия в виде аккумулирования тепловой энергии (TES) является сравнительно лучшим вариантом по сравнению с аккумулированием электроэнергии в батареях, поскольку она недорога и оказывает минимальное воздействие на окружающую среду [14]. Немногие заводы CSP оснащены системами TES, а другие не имеют этой функции.
Производительность установок КСЭ с системами ТЭС зависит от конструкции интеграции ТЭС в цикл выработки электроэнергии (термодинамический процесс) установок [15]. Как правило, TES подразделяются на две основные категории в зависимости от состояния движения во время зарядки и разрядки, т. е. активные системы и пассивные системы. Зарядка — это процесс, при котором тепло передается среде для повышения ее энергии, а разрядка — это процесс, при котором тепло извлекается из среды, чтобы вернуть ее в исходное состояние. В активных системах [16] тепловая энергия запасается в среде, которая также является энергоносителем. Среда с высокой тепловой энергией перекачивается, и она передает свою энергию термодинамическому циклу за счет принудительной конвекции. В пассивной системе [17] тепловая энергия запасается в неподвижной и неподвижной среде, через которую циркулирует теплоноситель для отбора тепла, а теплоноситель циркулирует по термодинамическому циклу для доставки туда тепловой энергии. Следующие разделы содержат дальнейшие классификации таких систем с наглядными иллюстрациями для ясного понимания.
4.1 Активная прямая концепция для TES
Активные системы подразделяются на прямые и непрямые. В прямых активных системах энергетические материалы выполняют двойную функцию хранения и транспортировки энергии. В таких системах материалы TES поглощают тепло от солнечного поглотителя во время зарядки и хранятся в горячем резервуаре, как показано на рисунке 2 [13]. Во время разгрузки материал TES перекачивается из горячего резервуара в термодинамический цикл, где он передает свою энергию системе и возвращается обратно в холодильное хранилище. Для следующего цикла зарядки материал TES снова закачивается в солнечный поглотитель, чтобы получить энергию для следующего цикла. В этой конструкции теплообменник не требуется; однако материал ТЭС должен обладать свойствами теплоаккумулирования и хорошей текучестью [15].
Рис. 2.
Активная прямая концепция для TES [13].
4.2 Концепция активного непрямого действия для TES с двумя баками
Системы активного непрямого действия имеют еще два исполнения для интеграции TES в установки CSP с вариантами двух баков и одного бака для хранения. В таких системах материалы для хранения тепловой энергии отличаются от теплоносителя (HTF). Пример активной непрямой системы с двухрезервуарным накопителем показан на рисунке 3 [13]. В начале цикла зарядки/разрядки материал ТЭС хранится в холодном баке, а теплоноситель движется по протоку солнечного коллектора, термодинамического цикла и теплообменника. Во время зарядки материал ТЭС перекачивается из холодного бака в горячий через теплообменник, где он поглощает тепло от теплоносителя и накапливается в горячем баке. ТЭС перекачивается обратно в холодный резервуар во время разгрузки, в котором материалы возвращают тепло теплоносителю через теплообменник. Следовательно, материал TES и HTF совершенно разные и не смешиваются друг с другом в процессе.
Рис. 3.
Активно-непрямая концепция ТЭС с использованием двух резервуаров [13].
4.
3 Активная непрямая концепция для TES с одним баком
Также возможна активная непрямая конструкция с одним накопительным баком, которая более эффективна, чем система с двумя накопительными баками. В этой конструкции материал TES в холодном и горячем состоянии хранится в одном и том же резервуаре, как показано на рисунке 4. Материалы разделяются сами по себе из-за разных свойств материала при разной температуре. Термическая стратификация приводит к тому, что горячий материал накапливается в верхней части резервуара, а холодный – в нижней. Эта система также известна как система термоклина, которая примерно на 35% дешевле, чем система хранения с двумя резервуарами.
Рис. 4.
Активная непрямая концепция для интеграции TES, один бак [13].
В системах хранения термоклина используется наполнитель, такой как камни, бетон или песок, поэтому для усиления эффекта термоклина требуется меньшее количество материалов TES. В этой системе требуется точность обращения при зарядке и разгрузке ТЭС с использованием контролируемых методов и устройств, чтобы избежать смешивания материалов. Среди различных исследованных структур при разгрузке термоклина наиболее эффективной считается конфигурация с набивкой [13].
4.4 Пассивная концепция для ТЭС
Это еще одна концепция аккумулирования тепловой энергии, в которой материалы ТЭС закреплены и не перемещаются в течение всего процесса. Концепция продемонстрирована на рисунке 5. Материал TES хранится в резервуаре, через который циркулирует HTF. На этапе зарядки горячее теплоноситель проходит через ТЭС и отдает свое тепло ТЭС. При разгрузке из ТЭС проходит холодный теплоноситель, который уже имеет очень высокую температуру. В таких системах теплопроводность аккумулирующего материала и площадь контакта с поверхностью определяют скорость теплопередачи от и к теплоносителю во время зарядки и разрядки соответственно. В этом типе конструкции в качестве материалов TES используются камни и бетон.
Рис. 5.
Пассивная концепция ТЭС [13].
Объявление
5. Материалы для хранения тепловой энергии
Материалы для хранения тепловой энергии очень специфичны с точки зрения физических и тепловых свойств для наилучшей работы установок CSP. Эти материалы обычно подразделяются на три категории: разумное хранение, скрытое хранение и термохимическое хранение. Объяснение этих категорий дано в последующих разделах. Есть несколько свойств материалов TES, которые являются общими для всех материалов. Плотность накопления энергии — очень важная вещь, которая определяет размер резервуаров TES, а также связанные с этим затраты. Чем выше плотность накопления энергии материалом, тем меньше его количество требуется для запасания определенного количества тепловой энергии [14]. Аналогично обстоит дело и с массовой плотностью материала. В случае скрытой теплоты и термохимического накопления эквивалентными терминами являются теплота плавления материала и теплота реакции материалов соответственно [14]. Теплопроводность и рабочие температуры являются очень важными параметрами, определяющими общую эффективность и производительность системы. Если материал является хорошим теплопроводником, зарядка и разрядка занимает меньше времени. В случае низкой теплопроводности для достижения лучших результатов используются усилители проводимости, нанонаполнители и улучшенная геометрия контактной поверхности. Как правило, материалы должны быть недорогими, легко и широко доступными, менее агрессивными и менее опасными для окружающей среды и здоровья человека [14].
5.1 Чувствительные материалы для хранения TES
Эти материалы накапливают тепло в форме повышения температуры. Свойством материала, с которым связано это явление, является теплоемкость. Материал с более высокой теплоемкостью хорош для хранения энергии. Примерами таких материалов являются песок, камни, бетон и др. [18]. Количество тепловой энергии, хранящейся в материалах TES в качестве разумного хранения, можно рассчитать по уравнению. (23):
QT=V×ρ×C×ΔT E23
, где V — объем, ρ — средняя плотность, C — удельная теплоемкость материала, аккумулирующего явную энергию, а ΔT — разница температур от начальной до конечной стадии.
5.2 Аккумулирование скрытой теплоты
В этих типах материалов энергия сохраняется в виде фазового перехода. Это фазовое превращение может происходить в твердое-жидкое, жидкое-газовое, твердое-газовое и твердое-твердое [19]. Общеизвестные материалы относятся к категориям материалов с фазовым переходом жидкость-газ и твердое тело-жидкость для приложений CSP. Водяной пар является примером первого типа, а бинарная соль — примером второго типа. Для материалов, аккумулирующих скрытую теплоту, интерес представляют температуры фазовых переходов и скрытая теплота плавления во время этих фазовых переходов. Крайне желательно, чтобы материалы были стабильны в большом диапазоне температур, а температура их затвердевания была как можно ниже. Причина низкой предпочтительной температуры затвердевания заключается в том, что он не должен осаждаться в виде твердого вещества в циркуляционных трубах в активных системах. Количество энергии в этом типе материала представляет собой сумму запаса ощутимой энергии от начальной температуры до конечной температуры и запаса энергии во время фазового перехода в виде скрытой теплоты [18, 19].]. Энергия, хранящаяся в виде скрытой теплоты плавления, может быть рассчитана по уравнению. (24):
Qлатент=V×ρ×L E24
где L — скрытая теплота плавления материала.
5.3 Термохимическое накопление энергии
Этот тип накопления энергии основан на химии эндотермических-экзотермических обратимых реакций. Избыточная тепловая энергия используется для инициирования реакции, которая является сильно эндотермической. При зарядке тепло отбирается реагентами, и в результате протекания реакций реагенты превращаются в продукты. Эти продукты хранятся в течение нескольких дней, недель и сезонов. Интересно, что хранилище находится в условиях окружающей среды, и потери энергии в этом хранилище минимальны. При разрядке эти продукты снова превращаются в реагенты с выделением огромного количества тепла. Это тепло транспортируется в термодинамический цикл [20]. Обратимый CaO/CaCO ₃ Реакция карбонизации (CaL) является одной из наиболее многообещающих, поскольку природные прекурсоры CaO доступны и широко распространены. Однако частицы CaO постепенно дезактивируются из-за морфологических изменений, вызванных спеканием, во время повторных циклов карбонизации и прокаливания.
На рис. 6(а) представлены различные типы материалов в зависимости от теплоемкости [21]. Как видно из рисунка, термохимические материалы (ТХМ) обладают наибольшей плотностью хранения в диапазоне 170–600 кВтч/м ² . Плотность накопления энергии скрытого накопления тепла, называемая PCM, ниже, чем TCM, и составляет от 70 до 250 кВтч / м ² . Разумные накопительные материалы имеют наименьшую плотность накопления энергии. Единственным преимуществом разумного хранения является отсутствие деградации и коррозии и очень низкая стоимость. Рисунок 6(b) представляет собой классификацию материалов TES на основе температур плавления [21]. Этот анализ дает представление о выборе материалов для конкретных диапазонов температур плавления.
Рис. 6.
(а) ПКМ по накопительной емкости и (б) ПКМ по теплоте плавления [21].
Реклама
6. Характеристики теплоносителей
Согласно прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА) до 2050 года, доля производства электроэнергии CSP составляет 630 ГВт. Имея в виду высокие будущие цели, ученые и исследователи работают над различными проектами CSP. Среди всех параметров теплоноситель является ключевым компонентом, поскольку общая производительность CSP зависит от тепловой энергии. Термальная жидкость является транспортным материалом, который переносит тепловую энергию от солнечного ресивера/аккумулятора и доставляет ее в термодинамический цикл [22]. Требуемые характеристики теплоносителей:
Высокая теплоемкость
Низкая вязкость
Единые термофизические свойства в диапазоне операционного температуры
. материалов. Классификация теплоносителей представлена на рис. 7.
Рис. 7.
Классификация теплоносителей.
В некоторых случаях наночастицы усилителя тепловых свойств агломерируются и образуют кластеры после ограниченного срока службы. Эта агломерация наночастиц снижает эффективность теплоносителей. Недавно была разработана четвертичная соль с низкой температурой плавления (85,4°C), широким рабочим диапазоном (600°C), сниженным риском засорения и меньшим коррозионным воздействием на систему [23]. Корреляция теплообмена с наножидкостью описана в следующем разделе.
6.1 Теплопередача с наножидкостями
Термические характеристики наножидкостей отличаются от твердо-жидкостных смесей, поскольку эти жидкости содержат взвешенные частицы (металлические или неметаллические) в жидкой основе. Свойства теплопереноса изменяются из-за взвешенных ультрадисперсных частиц [24]. Как правило, объемное содержание этих частиц во флюиде составляет менее 10%. Добавление наночастиц увеличивает теплопроводность и теплопроводность жидкости по сравнению с чистой жидкостью. Например, Сюань и Ли сообщили об увеличении коэффициента теплопроводности с 1,24 до 1,78 при увеличении содержания частиц с 2,5 до 7,5% [25]. Изменение свойств жидкости зависит от формы, размеров, количества и характеристик частиц. Однако сообщается, что частицы микрометрового и миллиметрового размера быстро оседают, создавая засоры в каналах, разрушая трубопроводы и вызывая огромное падение давления [26]. Корреляции теплопередачи, основы и теорию можно прочитать в литературе, представленной в [24, 27, 28].
Реклама
7. Текущие проблемы в CSP
Одной из критических проблем в ТЭС для высокотемпературных приложений является коррозия материалов ТЭС с его защитной оболочкой. Большинство расплавленных солей, используемых для ТЭС, обладают высокой коррозионной активностью. Реакции солей и образование коррозии до конца не изучены, и проблема по-прежнему требует внимания, особенно в контексте коррозионного растрескивания под напряжением в расплавленных солях [29]. Коррозия проявляется либо в виде образования оксидного слоя на контейнере, либо в виде разрушения материала контейнера. Стандартные конструкционные материалы (нержавеющая сталь или углерод) разрушаются после взаимодействия с хлоридами солей в результате хлорирования. В настоящее время исследуются защитные покрытия для смягчения последствий коррозии [29].].
В настоящее время производство энергии по технологии CSP является дорогостоящим [30]. Чтобы обойти проблему высокой стоимости, Министерство энергетики США запустило инициативу SunShot в 2011 году и выдвинуло агрессивный план исследований и разработок (НИОКР), чтобы к концу десятилетие [31]. Цель инициативы SunShot включает нормированную стоимость электроэнергии (LEC) от солнечных электростанций менее 6 центов/кВтч без субсидий, годовую эксергетическую эффективность туда и обратно более 95%, стоимость хранения менее $15/кВт·ч к 2020 г., что проложит путь к быстрому и широкомасштабному внедрению солнечной электроэнергии [31].
Реклама
8. Заключение
Среди различных доступных вариантов солнечной энергии концентрированная солнечная энергия считается наиболее эффективной технологией, доступной в настоящее время и имеющей тенденцию к развитию в будущем. Его эффективность преобразования солнечной тепловой энергии в электричество очень высока, поскольку он может достигать температуры 800°C. Более высокая достигнутая температура приводит к более высокой эффективности, поскольку повышает уровень эксергии системы. Для будущих разработок расплавленные соли и жидкие металлы считаются лучшими вариантами для хранения энергии, а также для теплоносителей. Хотя в литературе доступно множество комбинаций солей в различных соотношениях компонентов и проводятся быстрые исследования по разработке дополнительных смесей, проблема коррозии все еще существует. Ожидается, что жидкие металлы могут решить проблему коррозии, а их стабильность и плотность накопления энергии даже выше, чем у гидратов солей. Исследования аналогичных линий для HTF также ведутся высокими темпами. Большинство разработанных ГТС расплавленных солей основаны на нитратах/нитритах. Однако годовое производство нитратных/нитритных солей ограничено из-за их запасов. Поэтому в самых последних исследованиях предлагаются и оцениваются соли на основе карбонатов или хлоридов. Одной из основных проблем расплавленных солей является их относительно высокая коррозионная активность по отношению к металлическим сплавам. Проблемы коррозии должны быть полностью решены до коммерческого применения расплавленных солей в качестве теплоносителя в технологии CSP.
Реклама
Благодарности
Авторы хотели бы выразить свою признательность Университету Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭУ) за финансирование исследования в виде грантов (31N265 и 31R153).
Реклама
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Номенклатура
C _ЭиТО
Годовые эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание
CPV
концентрированная фотогальваника
CSP
концентрированная солнечная энергия
E _el
Годовая выработка электроэнергии
f _cr
коэффициент аннуитета
HTF
теплоноситель
IC
инвестиционные затраты
МЭА
Международное энергетическое агентство
K _id
реальная процентная ставка по долгу
K _ins
годовой страховой тариф
LOC
нормированная стоимость электроэнергии
МВтэ
мегаватт электроэнергии
n
амортизационный период
PV
фотогальваника
Материал с фазовым переходом PCM
ТЭС
накопитель тепловой энергии
Ссылки
1. Settino J, Sant T, Micallef C, Farrugia M, Spiteri Staines C, Licari J, et al. Обзор солнечных технологий для производства электроэнергии, отопления и охлаждения. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2018;90:892-909
2. Радван А., Эмам М., Ахмед М. Сравнительное исследование методов активного и пассивного охлаждения для концентрированных фотоэлектрических систем. В: Экзергетические, энергетические и экологические измерения. Выходные данные: Academic Press, Elsevier; 2018. С. 475-505. Доступно по адресу: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9.780128137345000275
3. Хасан А., Алноман Х., Рашид Ю. Влияние интегрированной фотоэлектрической системы материалов с фазовым переходом на энергоэффективность здания в жарком климате. Энергия и здания. 2016;130:495-505
4. Кабир Э., Кумар П., Кумар С., Аделодун А.А., Ким К-Х. Солнечная энергия: потенциал и перспективы. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2018;82:894-900
5. Rea JE, Oshman CJ, Olsen ML, Hardin CL, Glatzmaier GC, Siegel NP, et al. Моделирование производительности и технико-экономический анализ модульной башни концентрированной солнечной энергии с аккумулированием скрытого тепла. Прикладная энергия. 2018;217:143-152
6. Cocco D, Migliari L, Petrollese M. Гибридная система CSP-CPV для улучшения диспетчеризации солнечных электростанций. Преобразование энергии и управление. 2016;114:312-323
7. Хан Дж., Арсалан М.Х. Технологии солнечной энергетики для устойчивого производства электроэнергии — обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2016;55:414-425
8. Дезидери У., Цеппарелли Ф., Мореттини В., Гаррони Э. Сравнительный анализ концентрирования солнечной энергии и фотоэлектрических технологий: технические и экологические оценки. Прикладная энергия. 2013;102:765-784
9. Даффи Дж.А., Бекман В.А. В: Даффи Дж. А., Бекман В. А., редакторы. Солнечная инженерия тепловых процессов. 4-е изд. Хобокен: Джон Уайли; 2013. 910 p
10. Бонан Г. Экологическая климатология: концепции и приложения. 3-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 2016. Доступно по адресу: http://ebooks.cambridge.org/ref/id/CBO9781107339200
11. Tada H. Gourmet Engineering Lecture Notes [Интернет]. 2002. Доступно по адресу: http://emerald.tufts.edu/as/tampl/en43/lecture_notes/ch5.html
12. Инкропера Ф.П., редактор. Основы тепломассообмена. 6-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли; 2007. 997 p
13. Pelay U, Luo L, Fan Y, Stitou D, Rood M. Системы накопления тепловой энергии для концентрированных солнечных электростанций. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2017;79:82-100
14. Хассан А., Шакил Лагари М., Рашид Ю. Микрокапсулированные материалы с фазовым переходом: обзор инкапсуляции, безопасности и тепловых характеристик. Устойчивость. 2016;8(10):1046
15. Креспо А., Барренече С., Ибарра М., Платцер В. Аккумулирование скрытой тепловой энергии для применения солнечного технологического тепла при средне-высоких температурах — обзор. Солнечная энергия. 2018. Доступно по адресу: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0038092X18306534 (в печати)
16. Pointner H, Steinmann W-D. Экспериментальная демонстрация концепции активного накопления скрытой теплоты. Прикладная энергия. 2016;168:661-671
17. Gil A, Medrano M, Martorell I, Lázaro A, Dolado P, Zalba B, et al. Современное состояние высокотемпературного аккумулирования тепловой энергии для производства электроэнергии. Часть 1 — Концепции, материалы и моделирование. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2010;14(1):31-55
18. Бэйл П.В., Ратод М.К., Саху Л. Термический анализ системы концентрации солнечной энергии, интегрированной с накоплением явного и скрытого тепла. Энергетическая процедура. 2015;75:2157-2162
19. Joemann M, Oezcan T, Kauffeld M, Pollerberg C. Производство технологического пара и охлажденной воды с помощью CPC-коллекторов, пароэжекторного чиллера и накопителей скрытого тепла. Энергетическая процедура. 2016;91:767-776
20. Дизаджи Х.Б., Хоссейни Х. Обзор отбора материалов в системах термохимического накопления энергии (TCES) из чистых и смешанных оксидов металлов для приложений концентрированной солнечной энергии (CSP). Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2018;98:9-26
21. Хан ММА, Саидур Р., Аль-Сулейман Ф.А. Обзор материалов с фазовым переходом (PCM) в холодильных системах с абсорбцией солнечной энергии. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2017;76:105-137
22. Сингх Т., Хассиен М.А.А., Аль-Ансари Т., Сауд К., Маккей Г. Критический обзор солнечных тепловых ресурсов в странах Персидского залива и применение наножидкостей для разработки эффективных и рентабельных технологий CSP. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2018;91:708-719
23. Chen X, Wu Y, Zhang L, Wang X, Ma C. Экспериментальное исследование удельной теплоемкости и стабильности расплавленных солевых наножидкостей, приготовленных путем высокотемпературного плавления. Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы. 2018;176:42-48
24. Xuan Y, Roetzel W. Концепция корреляции теплопередачи наножидкостей. Международный журнал тепло- и массообмена. 2000;43(19):3701-3707
25. Xuan Y, Li Q. Повышение теплопередачи наножидкостей. Международный журнал потоков тепла и жидкости. 2000;21(1):58-64
26. Choi SUS, Eastman JA. Повышение теплопроводности жидкостей с помощью наночастиц. Публикации ASME-Fed 231; 1995. стр. 99-106
27. Абельман С., Парса А.Б., Сайхванд Х-О. Течение наножидкости и теплообмен в пористом канале Бринкмана с переменной пористостью. Математические вопросы. 2018;41(4):449-467
28. Mahian O, Kolsi L, Amani M, Estellé P, Ahmadi G, Kleinstreuer C, et al. Последние достижения в моделировании и симуляции течений наножидкостей. Часть I: Основы и теория. Отчеты по физике. 2018;790:1-48. Доступно по адресу: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0370157318303302
29. Fernández AG, Muñoz-Sánchez B, Nieto-Maestre J, García-Romero A. Коррозионное поведение при высоких температурах на расплавленной нитратной соли наножидкости для установок CSP. Возобновляемая энергия. 2019;130:902-909
30. Du E, Zhang N, Hodge B-M, Kang C, Kroposki B, Xia Q. Экономическое обоснование концентрации солнечной энергии в энергосистемах с высокой степенью проникновения возобновляемой энергии. Прикладная энергия. 2018;222:649-661
31. Инициатива SunShot. Министерство энергетики [Интернет]. 2019. Доступно по адресу: https://www.energy.

РубрикаРазное