Ученые из итальянского Университета Л’Аквилы предложили использовать избыточную электроэнергию от домашних солнечных панелей для нагрева воды, а затем при необходимости превращать накопленное тепло обратно в электричество. Разработанная система при оптимальном режиме работы смогла покрыть суточную потребность модельного домохозяйства в электроэнергии, а общий КПД цикла хранения достиг 35%.
В основе разработки лежит так называемая обратимая батарея Карно. В отличие от обычного электрохимического аккумулятора, она хранит энергию в виде тепла. Предложенная итальянскими исследователями установка объединяет тепловой насос и органический цикл Ренкина (ORC), причем часть оборудования используется в обоих режимах. При избытке солнечной электроэнергии установка работает как тепловой насос: электричество приводит в действие компрессор, который переносит тепло от более холодного источника к воде в теплоизолированном резервуаре. В результате электрическая энергия фактически преобразуется в тепло и сохраняется в нагретой воде.
Когда солнечные панели перестают обеспечивать дом необходимой электроэнергией, процесс переключается в обратный режим – горячая вода отдает накопленное тепло рабочей жидкости с низкой температурой кипения. Она испаряется и расширяется в той же вращающейся машине, которая при зарядке работала как компрессор, а теперь действует как расширитель и вырабатывает электричество. Этот процесс называется органическим циклом Ренкина. Его отличие от обычного парового цикла состоит в использовании вместо воды органической жидкости, способной испаряться при сравнительно невысокой температуре.
Для проверки своей концепции исследователи создали компьютерную модель системы, объединенной с бытовой солнечной электростанцией с площадью панелей 60 м² в центральной Италии. Моделирование проводили для января, когда выработка солнечной энергии сравнительно невелика. Избыток электричества, возникавший преимущественно с 6:00 до 15:00, направлялся на нагрев воды. Ученые рассмотрели резервуары объемом 8, 12 и 16 тысяч литров и выбрали вариант на 8 тысяч литров, в котором воду удавалось нагреть примерно до 100 °C.
Одним из ключевых параметров оказалась скорость вращения расширителя при обратном преобразовании тепла в электричество. При ее снижении с примерно 1900 до 1000 оборотов в минуту горячая вода медленнее отдавала накопленную энергию, поэтому установка могла работать дольше. В оптимальном режиме после девяти часов работы система не только покрыла расчетную потребность дома в электроэнергии, но и сохранила около 1,5 кВт·ч энергии. Общий КПД цикла (отношение полученной при разрядке электроэнергии к электричеству, затраченному на зарядку) достиг 35%.
Стоит отметить, что пока речь идет о результатах моделирования, а не об испытаниях готовой бытовой установки. Исследователи планируют оценить работу системы в течение всего года, а также определить, как площадь солнечных панелей и параметры отдельных компонентов влияют на ее эффективность.
