Stocarea energiei în viitor - materiale pentru schimbarea fazei

Articole similare

Se poate folosi un panou solar într-o cameră? Oamenii de știință lucrează la asta!

Cel mai ieftin panou solar a fost finalizat, rămâne doar producția

Bitcoin merge în schimbul energiei electrice produse de celula solară

În zilele noastre, dacă vrem, dacă nu, consumul conștient de energie joacă un rol din ce în ce mai important, iar acest rol va crește doar în viitor. În articolul nostru, vom vorbi despre o posibilă modalitate de stocare a „energiei termice”, materiale de schimbare de fază.

Un articol publicat pe blogul oficial al Secției pentru tineret a Societății Energetice Maghiare. Ca orice, merită să începem de la început pentru a evita neînțelegerile ulterioare: deci cum poate o substanță să stocheze energie?.

INTRODUCERE FIZICĂ

În acest scurt capitol, va exista o scurtă prezentare fizică a stocării energiei. Cine știe ce este căldura specifică și termodinamica I-II. este în bună prietenie cu teorema sa principală, nu ezitați să parcurgeți capitolul.

Materialele pot stoca o anumită energie într-o stare și temperatură date - este adevărat cât de mult depinde materialul. Pentru simplitate, luați un ulcior (aproximativ 1 litru) de apă caldă bună de 88 ° C. Acești parametri determină câtă energie poate fi „extrasă” din apă prin răcirea apei la temperatura camerei (25 ° C): 264,6 kJ (kilojoule) folosind o aproximare aproximativă. Acest lucru este aproximativ echivalent cu 1 bucată de radiator mediu de 1 metru

Cu căldură disipată în timpul a 4 minute și jumătate de funcționare.

Pentru cei care nu cred sau sunt doar curioși cu privire la detalii: căldura specifică a apei înmulțită cu diferența de temperatură (88 ° C - 25 ° C) înmulțită cu masa apei = 4200 J/(kg ° C) * 63 ° C * 1 kg = 264600 kJ = 264,6 kJ.

Cu toate acestea, energie semnificativă este eliberată și atunci când substanța suferă o schimbare de stare sau tranziție de fază, de exemplu. Un exemplu destul de simplu este topirea gheții din băuturile răcoritoare. Temperatura gheții nu se modifică (cel puțin inițial), îndepărtează din mediul său (în acest caz băutura răcoritoare) energia necesară pentru a o transforma în apă, așa că pe scurt și temeinic există o schimbare de desigur apa de 0 grade continuă să se încălzească în timp ce băutura răcoritoare se răcește). până când se atinge temperatura de echilibru). Și suntem fericiți pentru că vrem ca sifonul nostru să fie rece.

În comparație cu calculul anterior, energia eliberată prin topirea a 1 kg de gheață poate fi calculată astfel: masa de gheață înmulțită cu căldura de topire a gheții = 1 kg * 333,7 kJ/kg = 333,7 kJ. De asemenea, arată că tranziția de fază implică o eliberare de energie neglijabilă.

Un alt exemplu posibil, care poate fi văzut ca opusul precedentului: avem o porție bună de bulion duminică și vrem să-l încălzim pe plita de acasă, dar din anumite motive nu funcționează. Bunica noastră, în schimb, a cumpărat o cutie translucidă la târg, despre care vânzătorul spune că face cald bulionul rece. În cutie este ceva lichid. Dacă îl pui în bulion, vei constata că zgura din cutie a devenit destul de solidă, iar supa s-a încălzit cu adevărat. Care ar fi putut fi melcul din cutie care ar putea încălzi bine bulionul? Nu suntem decât materiale pentru schimbarea fazei! (cel puțin sperăm)

INTRODUCERE SCURTĂ

Ei bine, deci temperatura corpului sau a materialului este proporțională cu energia ascunsă în material, dar materialul este capabil să stocheze energie semnificativă în faza și starea dată.

Astfel, Materialele pentru schimbarea fazei (PCM) sunt prin definiție materiale de stocare a energiei care pot stoca energie la o densitate mai mare de energie folosind căldura latentă. În cazul unei unități de volum, stocarea de energie ascunsă poate fi utilizată pentru a obține o densitate de energie mai mare, deoarece nu numai căldura specifică, ci și căldura de fuziune și evaporare pot fi utilizate în procesele de transfer de căldură.

Aplicarea lor este extrem de largă, deoarece punctul lor de topire poate fi modificat la scară largă prin diferite metode chimice. Materialul absoarbe căldura din mediul său în timpul topirii și eliberează căldură în timpul înghețului. Având în vedere temperaturile lor de topire, se pot distinge mai multe grupuri în ceea ce privește utilizarea energiei stocate:

Sub 25 ° C pentru aplicații de răcire, stocarea energiei „reci”,
Pentru încălzire peste 25 ° C,
Peste 90 ° C pentru răcire prin absorbție,
Peste 200 ° C poate fi utilizat în centrale solare termice.
Înainte ca cineva să creadă că este o tehnologie hiper-nouă și până acum perfect ascunsă de șopârle, trebuie să vă spun ... nu, deloc nou.

Chiar înainte de proliferarea frigiderelor, a fost necesar să se păstreze carnea sau legumele și fructele la rece, pentru a le păstra calitatea pe termen lung. În acest scop, de exemplu, analiza menționată mai sus a fost plasată într-o pivniță sau într-un teanc nu prea adânc, unde zăpada/gheața a fost așezată iarna, astfel încât să se poată menține o temperatură de 1-2 ° C până la mijlocul primăverii sau, în funcție de vreme. Mai mult, există un spital suedez (care merită citit făcând clic pe link) unde această tehnică de răcire este folosită până în prezent. Principiul de funcționare este simplu și strălucitor: prin topirea zăpezii, zăpada topită este colectată și, după un sistem de filtrare adecvat, este alimentată la schimbătorul de căldură, unde se încălzește în timp ce apa de răcire circulă în spital pe cealaltă parte a schimbătorul de căldură se răcește.

Diagrama Móricka a sistemului răcit cu zăpadă (sursă)

AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE

Din cele de mai sus, se poate observa că avantajele materialelor pentru schimbarea fazei includ capacitatea lor de a stoca căldura la densități mari de energie, de a compensa fluctuațiile de temperatură și de a fi extrem de rentabile și spațiale. Dar, ca orice, materialele care schimbă faza au proprietăți negative. Este, în general, adevărat pentru astfel de materiale că conduc căldura prost, că proprietățile lor fizice și chimice se pot schimba după mai multe cicluri sau că sunt fie reactivi, fie corozivi sau inflamabili. Sau pe toți.

Materialul ideal ar avea o căldură latentă ridicată și o conductivitate termică adecvată, un punct de îngheț în intervalul de temperatură adecvat pentru utilizare, proprietăți constante de topire, ar fi ieftin, netoxic, necoroziv și neinflamabil. Pentru a realiza acestea, diferiți aditivi sunt amestecați în PCM-uri pentru a îmbunătăți fiecare proprietate.

DEPOZITARE

Apare o întrebare foarte simplă, dar mai importantă, bine că există aceste materiale extrem de utile, dar cum le stocăm? În fiecare caz, materialele pentru schimbarea fazei sunt depozitate în modul cel mai adecvat, adaptat pentru utilizarea lor. De exemplu, pot fi stocate:

Mese
în microcapsule
sau de tip covor

Sursa: Zoltán Andrássy

Figura 1 ilustrează designul panoului. Acest lucru face ca materialul să fie mai ușor de manevrat, mai rapid de instalat și o grosime constantă a stratului. Poate stoca energie mai mult timp, dar proprietățile sale de transfer de căldură sunt mai grave, suprafața de transfer de căldură este specific mai mică. Segmentarea de fază poate apărea în materialul depozitat, caz în care focare separate se solidifică și este posibil să nu se poată uni în toate cazurile. Se pot utiliza și materiale toxice, corozive sau combustibile dacă pereții despărțitori sunt rezistenți la acestea.

În proiectarea microcapsulei din Figura 2, suprafața de transfer de căldură crește, îmbunătățind astfel transferul de căldură. Datorită modificării densității datorită schimbării fazei, aceste capsule pot fi deteriorate de un strat de dinamometru permanent și materialul pentru schimbarea fazei se poate vărsa, deci nu poate fi utilizat pentru depozitarea materialului coroziv, toxic sau inflamabil.

Figura 3 prezintă designul de tip mat, care este o variantă a stocării capsulei. Este utilizat în principal în construcții, fixat pe structuri de perete.

UTILIZARE ZIOTECĂ

Diferite PCM-uri își pot îndeplini funcția în limite diferite, astfel încât utilizarea lor este aproape nelimitată. Deși au existat aplicații tangențiale, să aruncăm o privire la una sau două altele obișnuite.!

"Vreau ca cafeaua să fie caldă, dar nu prea fierbinte!" propoziția este rostită din gura dragului musafir căruia îi dorești un loc special în iad. Soluția este o ceașcă inteligentă de cafea! O bandă de aluminiu conductivă termic este aplicată pe peretele fagure al cupei pentru schimbarea fazei, iar cavitățile sunt umplute cu parafină cu un punct de topire de 58 ° C. Turnând cafeaua/ceaiul fierbinte în ceașcă, parafina se topește (aceasta răcește lichidul în ea, cu atât va fi mai repede potabilă) și această căldură transferată este suficientă pentru a menține temperatura cafelei/ceaiului nostru constantă pentru o perioadă mai lungă de timp.

Un material pentru schimbarea fazei poate fi, de asemenea, încorporat într-un costum de schi, de exemplu. În această aplicație, PCM este împletit între fibrele materialului. Când schiorul se mișcă și transpira, costumul preia excesul de căldură, astfel încât sportivul să nu se încălzească și PCM să se topească. Dacă schiorul nu face o mișcare (așezat pe lift și suflând într-un vânt polar plăcut), materialul pentru schimbarea fazei eliberează căldura absorbită anterior, încălzind persoana în timp ce îngheța. Adică nu schiorul, ci materialul.

APLICAȚIE INDUSTRIALĂ: UN STARTUP UNGURESC CONCURĂ LUMEA?

În mod surprinzător, materialele pentru schimbarea fazelor, deși răspândite, nu au fost abordate prea mult în Ungaria mică.

Stocare de căldură a materialului pentru schimbarea fazei proiectată de Rita Farkas și Zoltán Andrássy (sursă: Zoltán Andrássy)

Un experiment a fost făcut la BME în 2012, deoarece Zoltán Andrássy și Rita Farkas în disertația lor TDK s-au ocupat de un sistem de stocare a căldurii materialului cu schimbare de fază, încorporat într-o gospodărie. Ani de experimentare și modelare a cercetării au adus în cele din urmă succesul într-un mod extraordinar, deoarece după mai multe competiții câștigate (de exemplu, OTDK) și numeroase conferințe, s-au gândit că vor intra pe piață și au fondat o companie numită HeatVentors. Stocarea de căldură a materialului cu schimbare de fază pe care o proiectează poate fi utilizată, de exemplu, în camere de servere și sisteme de încălzire mai mari. Au negociat cu mai multe multinaționale mari din multe părți ale lumii (SUA, China) și se pare că este așa ceva.