Алгоритм расчета многослойной системы теплоизоляции теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим телом

АКТУАЛЬНОСТЬ. Управление избытком и дефицитом выработки электрической энергии, способствующее стабилизации энергетической системы и повышению ее надежности, является актуальной задачей. Одним из решений является разработка и внедрение тепловых накопителей энергии в системы распределенной энергетики. Важной задачей при их разработке является создание эффективной системы теплоизоляции. ЦЕЛЬ. Разработка алгоритма для эффективного проектирования системы теплоизоляции тепловых накопителей энергии с высокотемпературным рабочим телом. МЕТОДЫ. Исследования проводятся с использованием теоретических методов, включая теплотехнический расчет слоев теплоизоляции и анализ теплопроводности. Использованы методы математического моделирования для определения толщины системы теплоизоляции теплового накопителя энергии. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана конструкция теплового накопителя энергии. На основе разработанного алгоритма определено, что толщина системы теплоизоляции должна составлять 151 мм (толщина первого теплоизоляционного контура – 135 мм, толщина второго теплоизоляционного слоя из минеральной ваты – 16 мм), обеспечивая минимальные теплопотери при температуре теплоаккумулятора равной 2000 °C. Выявлено, что в слоях, ближайших к графиту, преобладает лучистый тепловой поток, составляющий около 70% от общего потока. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Исследование подтвердило эффективность предложенной многослойной системы теплоизоляции для теплового накопителя энергии. Разработанный алгоритм позволяет проводить расчёт систем теплоизоляции теплового накопителя энергии, который учитывает различные параметры и условия эксплуатации.

1. Pimm, A.J., Palczewski, J., Barbour, E.R. et. al. Using electricity storage to reduce greenhouse gas emissions. Applied Energy. 2021; 282:116199. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.116199.

2. Alva G., Lin Y., Fang G. An overview of thermal energy storage systems. Energy. 2018;144:341- 378. doi: 10.1016/j.energy.2017.12.037

3. Zinurov V., Nikandrova M., Kharkov V. Assessment of thermal storage technologies in energy sector. 2020 Ural Smart Energy Conference. 2020. pp. 68-71. doi: 10.1109/USEC50097.2020.9281236 4. Baker J. New technology and possible advances in energy storage. Energy Policy. 2008;36(12):4368-4373. doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.040.

4. Mahmoud, M., Ramadan, M., Olabi, A.G. et. al. A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications. Energy Conversion and Management. 2020;210:112670. doi: 10.1016/j.enconman.2020.112670.

5. Soloveichik G. L. Battery technologies for large-scale stationary energy storage. Annual review of chemical and biomolecular engineering. 2011;2:503-527. doi: 10.1146/annurev-chembioeng-061010-114116.

6. Morandi, A., Breschi, M., Ribani, P., et. al. Superconducting magnetic energy storage. Energy Storage for Power Systems. 2020. doi: 10.1049/pbpo063e_ch11.

7. Yuan K., Shi, J., Aftab, W., et. al. Engineering the thermal conductivity of functional phase‐change materials for heat energy conversion, storage, and utilization. Advanced Functional Materials. 2020;30(8):1904228. doi: 10.1002/adfm.201904228.

8. Han G. G. D., Li H., Grossman J. C. Optically-controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature communications. 2017;8(1):1446. doi: 10.1038/s41467-017-01608- y.

9. Jamekhorshid A., Sadrameli S. M., Farid M. A review of microencapsulation methods of phase change materials (PCMs) as a thermal energy storage (TES) medium. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;31:531-542. doi: 10.1016/j.rser.2013.12.033.

10. Pielichowska K., Pielichowski K. Phase change materials for thermal energy storage. Progress in materials science. 2014;65:67-123. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2014.03.005.

11. Acem Z., Lopez J., Del Barrio E. P. KNO3/NaNO3 – Graphite materials for thermal energy storage at high temperature: Part I.–Elaboration methods and thermal properties. Applied thermal engineering. 2010;30(13):1580-1585. doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2010.03.013.

12. Badenhorst H. A review of the application of carbon materials in solar thermal energy storage. Solar Energy. 2019;192:35-68. doi: 10.1016/J.SOLENER.2018.01.062.

13. Pacio J., Wetzel T. Assessment of liquid metal technology status and research paths for their use as efficient heat transfer fluids in solar central receiver systems. Solar Energy. 2013;93:11-22. doi: 10.1016/J.SOLENER.2013.03.025.

14. Niedermeier, K., Mueller-Trefzer, F. Theoretical and experimental studies of dual-media thermal energy storage with liquid metal. In: Daubner, M., Marocco, L., Weisenburger, A. et. al. editors. AIP Conference Proceedings. Solarpaces 2020: 26th International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems; 28 September – 2 October 2020; Freiburg, Germany. AIP Conf. Proc. 2022;2445(1): 160011.

15. Zhang, H., Baeyens, J., Cáceres, G. et. al. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016;53:1-40. doi: 10.1016/j.pecs.2015.10.003.

16. Cuce, E., Cuce, P. M., Wood, C. J. et. al. Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:273-299. doi: 10.1016/j.rser.2014.03.017.

17. Hu, P., Liu, L., Zhao, M. Design, synthesis, and use of high temperature resistant aerogels exceeding 800 ºC. ES Materials & Manufacturing. 2021;15:14-33. doi: 10.30919/esmm5f459.

18. Tychanicz-Kwiecień, M., Wilk, J., Gil, P. Review of high-temperature thermal insulation materials. Journal of Thermophysics and heat transfer. 2019;33(1):271-284. doi: 10.2514/1.T5420.

19. Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З. Обзор современных керамических ячеистых материалов и композитов, применяемых в теплотехнике. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023;25(1):82-104. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104