Пов’язані статті

енергії

Чи можна використовувати сонячну батарею в кімнаті? Над цим працюють вчені!

Завершено найдешевшу сонячну панель, залишається лише виробництво

Біткойн йде в обмін на електроенергію, вироблену сонячним елементом

У наш час, якщо ми хочемо, якщо ні, свідоме використання енергії відіграє все більш важливу роль, і ця роль у майбутньому буде лише збільшуватися. У нашій статті ми поговоримо про можливий спосіб накопичення “теплової енергії”, матеріалів, що змінюють фазу.

Стаття, опублікована в офіційному блозі Молодіжної секції Угорського енергетичного товариства. Як і все, варто починати спочатку, щоб уникнути пізніх непорозумінь: так як речовина може зберігати енергію?.

ФІЗИЧНИЙ ВСТУП

У цьому короткому розділі буде короткий фізичний огляд накопичення енергії. Хто знає, що таке питоме тепло і термодинаміка I-II. він дружить зі своєю основною теоремою, сміливо перегортайте розділ.

Матеріали можуть зберігати певну кількість енергії в заданому стані та температурі - це правда, наскільки це залежить від матеріалу. Для простоти візьміть глечик (близько 1 літра) хорошої теплої води 88 ° C. Ці параметри визначають, скільки енергії можна «витягти» з води, охолодивши воду до кімнатної температури (25 ° C): 264,6 кДж (кілоджоулі), використовуючи приблизне наближення. Це приблизно еквівалентно 1 штуці середнього радіатора довжиною 1 метр

З теплою, що розсіюється протягом 4 з половиною хвилин роботи.

Для тих, хто не вірить або просто цікавиться деталями: питома теплота води, помножена на різницю температур (88 ° C - 25 ° C), помножена на масу води = 4200 Дж/(кг ° C) * 63 ° C * 1 кг = 264600 кДж = 264,6 кДж.

Однак значна енергія також виділяється, коли речовина зазнає змін стану або фазового переходу, наприклад. Досить простим прикладом є танення льоду в наших безалкогольних напоях. Температура льоду не змінюється (принаймні спочатку), він забирає необхідну енергію з навколишнього середовища (а це в нашому випадку наш безалкогольний напій), щоб перетворити його у воду, тому ненадовго він змінюється (і звичайно тоді 0 вода продовжує нагріватися, поки безалкогольний напій охолоджується). до досягнення рівноважної температури). І ми раді, бо хочемо, щоб наша газована вода була холодною.

У порівнянні з попереднім розрахунком, енергію, що виділяється при плавленні 1 кг льоду, можна розрахувати наступним чином: маса льоду, помножена на теплоту плавлення льоду = 1 кг * 333,7 кДж/кг = 333,7 кДж. Це також показує, що фазовий перехід передбачає незначне виділення енергії.

Ще один можливий приклад, який можна розглядати як протилежність попередньому: у нас у неділю є хороша порція бульйону, і ми хочемо нагріти його на плиті вдома, але з якихось причин він не працює. Наша бабуся, навпаки, придбала на ярмарку напівпрозору коробку, яка, за словами продавця, робить холодний бульйон теплим. У коробці є щось рідке сопливе. Якщо ви покладете його у свій бульйон, то виявите, що шлак у коробці став цілком твердим, і суп справді прогрівся. Яким міг бути кульок у коробці, який міг би добре нагріти бульйон? Ми не що інше, як матеріал для зміни фаз! (принаймні ми сподіваємось)

КОРОТКИЙ ВСТУП

Ну, отже, температура тіла або матеріалу пропорційна енергії, прихованій у матеріалі, але матеріал здатний накопичувати значну енергію у своїй заданій фазі та стані.

Таким чином, матеріали для зміни фаз (PCM) - це за визначенням матеріали для зберігання енергії, які можуть зберігати енергію з більшою щільністю енергії за допомогою прихованого тепла. У випадку одиниці об'єму, приховане накопичення енергії може бути використано для досягнення більш високої щільності енергії, оскільки не тільки питома теплота, але й тепло плавлення та випаровування можуть використовуватися в процесах теплопередачі.

Їх застосування надзвичайно широке, оскільки температуру їх плавлення можна змінювати в широких масштабах різними хімічними методами. Матеріал поглинає тепло з навколишнього середовища під час плавлення і виділяє тепло під час замерзання. Враховуючи їх температуру плавлення, можна виділити кілька груп з точки зору використання накопиченої енергії:

Нижче 25 ° C для охолодження, зберігання "холодної" енергії,
Для нагрівання вище 25 ° C,
Вище 90 ° C для абсорбційного охолодження,
При температурі вище 200 ° C його можна використовувати на сонячних теплових електростанціях.
Перш ніж хтось подумає, що це якась нова нова технологія, яка поки що ідеально прихована ящірками, я повинен вам сказати ... ні, зовсім не нова.

Ще до розповсюдження холодильників необхідно було зберігати м'ясо, овочі та фрукти холодними, щоб зберегти їх якість у довгостроковій перспективі. Для цього, наприклад, вищезгаданий аналіз поміщали в льох або в не надто глибоку кладку, куди взимку клали сніг/лід, щоб можна було підтримувати температуру 1-2 ° C до середини весни або, залежно від погоди. Більше того, є шведська лікарня (яку варто прочитати, натиснувши на посилання), де ця техніка охолодження використовується донині. Принцип роботи простий і блискучий: шляхом танення снігу розплавлений сніг збирається і після відповідної системи фільтрів подається в теплообмінник, де він нагрівається, поки охолоджуюча вода циркулює в лікарні з іншого боку теплообмінник охолоджується.

Діаграма Моріки системи, що охолоджується снігом (джерело)

ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ

З вищевикладеного видно, що переваги матеріалів для фазової зміни включають їх здатність накопичувати тепло при високій щільності енергії, компенсувати коливання температури і бути надзвичайно економічним та економічним. Але, як і все, матеріали з фазовим зміщенням мають негативні властивості. Загалом для таких матеріалів справедливо, що вони погано проводять тепло, можуть змінювати свої фізичні та хімічні властивості через кілька циклів і можуть бути або реагентами, або корозійними, або легкозаймистими. Або всі вони.

Ідеальний матеріал мав би високу приховану теплоту і відповідну теплопровідність, температуру замерзання у відповідному діапазоні температур для використання, постійні властивості плавлення, був би недорогим, нетоксичним, некорозійним та негорючим. Для їх досягнення різні добавки змішуються в PCM для поліпшення кожної властивості.

ЗБЕРІГАННЯ

Виникає дуже просте, але більш важливе питання, добре, що є ці надзвичайно корисні матеріали, але як ми їх зберігаємо? У кожному випадку матеріали з фазовою зміною зберігаються найбільш відповідним чином, пристосованими до їх використання. Наприклад, їх можна зберігати:

таблиці
в мікрокапсулах
або килимоподібні

Джерело: Золтан Андраші

Рисунок 1 ілюструє дизайн панелі. Це полегшує обробку матеріалу, швидший монтаж і постійну товщину шару. Він може зберігати енергію довше, але його властивості теплопередачі гірші, поверхня теплопередачі особливо менша. У зберігається матеріалі може відбуватися фазова сегментація, в цьому випадку окремі вогнища застигають і не можуть зливатися у всіх випадках. Токсичні, їдкі або горючі матеріали також можна використовувати, якщо перегородки стійкі до них.

У конструкції мікрокапсули на малюнку 2 поверхня теплопередачі збільшується, тим самим покращуючи тепловіддачу. Через зміну щільності внаслідок фазової зміни ці капсули можуть бути пошкоджені постійним шаром динамометра, а матеріал для фазової зміни може розлитися, тому його не можна використовувати для зберігання їдких, токсичних або легкозаймистих матеріалів.

На малюнку 3 показана конструкція, схожа на килимок, яка є варіантом зберігання капсули. В основному застосовується в будівельній техніці, закріплюється на стінових конструкціях.

ЩОДЕННЕ ВИКОРИСТАННЯ

Різні ПКМ здатні виконувати свою функцію в різних межах, тому їх використання майже безмежне. Незважаючи на те, що були дотичні застосування, давайте розглянемо ще одне-два звичайних.!

"Я хочу, щоб кава була теплою, але не дуже гарячою!" речення вимовляється з вуст дорогого гостя, якому ви бажаєте особливого місця в пеклі. Рішення - це розумна чашка для кави! Теплопровідна алюмінієва смуга наноситься на стільникову стільницю чашки для зміни фази, а порожнини заповнюються парафіном з температурою плавлення 58 ° С. Наливаючи гарячу каву/чай у чашку, парафін плавиться (це охолоджує рідину в ньому, чим швидше його можна буде пити), і цього переданого тепла достатньо, щоб підтримувати температуру нашої кави/чаю постійною протягом тривалого періоду. час.

Наприклад, матеріал для зміни фази також може бути включений в лижний костюм. У цій заявці PCM вплітається між волокнами матеріалу. Коли лижник рухається і потіє, костюм набирає надлишок тепла, тому у спортсмена не буде тепла, а PCM може розтанути. Якщо лижник не робить рухів (сидячи на підйомнику та дмухаючи приємним полярним вітром), матеріал для зміни фаз виділяє раніше поглинене тепло, зігріваючи людину під час замерзання. Я маю на увазі не лижника, а матеріал.

ПРОМИСЛОВЕ ЗАСТОСУВАННЯ: УГОРСЬКИЙ СТАРТАП ПОРОСУЄ СВІТ?

Як не дивно, але матеріали з фазовим зміщенням, хоч і широко поширені, в невеликій Угорщині не надто цікавляться.

Фазозмінне зберігання тепла матеріалу, розроблене Рітою Фаркас та Золтаном Андраші (джерело: Золтан Андраші)

У 2012 році в BME був проведений експеримент, коли Золтан Андраші та Ріта Фаркас у своїй дисертації TDK мали справу із системою накопичення тепла із змінною фазою, вбудованою в домашнє господарство. Роки дослідницьких експериментів та моделювання зрештою принесли надзвичайний успіх, оскільки після кількох перемог у змаганнях (наприклад, OTDK) та безлічі конференцій вони думали, що вийдуть на ринок, і заснували компанію під назвою HeatVentors. Зберігання тепла матеріалу із змінною фазою може також використовуватися, наприклад, у серверних кімнатах та більших системах опалення. Вони вели переговори з кількома великими транснаціональними корпораціями у багатьох частинах світу (США, Китай), і це, здається,.