Soojussalvestustehnoloogia

Soojusenergia, kui üks olulisemaid inimkonna kasutatavaid energiaallikaid, liigitatakse selle tööpõhimõtete alusel peamiselt kolme kategooriasse: mõistlik soojussalvesti, latentne termiline (faasimuutus) soojussalvesti ja termokeemiline soojussalvesti. See moodustab 40–50% energia lõpptarbimisest ja selle rakendused on väga laiaulatuslikud. Praeguses energia arendamise ja kasutamise süsteemis hõlmavad peaaegu kõik energia muundamise protsessid soojusenergiat. Kuid energia muundamise käigus tekkiva vältimatu energiakadu tõttu rakendatakse soojussalvestustehnoloogiat harva otseselt elektrienergia salvestamisel (st olukordades, kus nii sisend kui ka väljund on elektrienergia). Selle asemel kasutatakse seda sagedamini energia muundamise ahela lülina või lihtsalt soojussüsteemides.

Mõistlik soojuse salvestamine

Mõistlik soojussalvestustehnoloogia on meetod soojuse salvestamiseks ja vabastamiseks, kasutades ära aine temperatuurimuutusi. Selle töömehhanism on suhteliselt lihtne: soojuse salvestamine või vabastamine saavutatakse keskkonna kuumutamise või jahutamisega. Selle protsessi käigus ei toimu keskkonnas keemilist transformatsiooni ega faasimuutust, mistõttu on kogu süsteemi lihtne juhtida ja stabiilselt töötada. Lisaks on madala hinnaga saadaval mitut tüüpi soojust salvestavaid materjale, mistõttu need sobivad suuremahulisteks-rakendusteks. See tehnoloogia pole mitte ainult väga küps, vaid demonstreerib ka laialdast kasutuspotentsiaali mitmes valdkonnas. Mõistlik soojuse salvestamine seisavad aga silmitsi ka teatud väljakutsetega, nagu madal energiatihedus, suur seadmete suurus, märkimisväärne soojuskadu pikaajalisel-salvestamisel ja ebastabiilne väljundtemperatuur. Mõistlikud soojussalvestid võib laias laastus jagada kahte kategooriasse: vedel ja tahke. Levinud vedelat soojust salvestavad materjalid on vesi, termoõli, sulasool ja vedel metall. Nende hulgas kasutatakse vett päikeseenergia veeküttesüsteemides ja ruumide kütmises laialdaselt tänu oma heale ohutusele ja stabiilsusele ning asjaolule, et selle soojussalvestustemperatuur ei ületa tavaliselt 100 kraadi. Suurepärase soojusjuhtivuse ja laia töötemperatuuri vahemikuga termoõlisid on kasutatud varases keskmis{12}} ja kõrgel{13}}temperatuuril soojusenergia salvestamise rakendustes; Kuid nende kõrge hind, süttivus ja võimalikud kõrge rõhuga seotud riskid suletud ahelaga süsteemides on viinud nende järkjärgulise asendamiseni muude paremate võimalustega. Seevastu madala küllastunud aururõhu, madala viskoossusega, kõrge soojusjuhtivusega, mitte-süttivuse ja mitte-toksilisusega sulasoolad toimivad hästi temperatuuridel, mis vastavad peavoolu auruparameetritele ja on suhteliselt odavad, mistõttu peetakse neid ideaalseks valikuks päikeseenergia termoelektriliseks muundamiseks. Äärmiselt kõrgel ümbritseval temperatuuril võivad sulasoolad aga torujuhtmeid ja nendega seotud seadmeid korrodeerida, mistõttu on vaja täiendavaid uuringuid ning nende ühilduvuse ja kuumuskindluse parandamist roostevaba terasega. Vedelaid metalle peetakse nende ülikõrge soojusjuhtivuse tõttu potentsiaalseks kõrgel temperatuuril (üle 600 kraadi) soojussalvestuslahenduseks; kuid arvestades nende väga reaktiivseid keemilisi omadusi, on süsteemi normaalse töö tagamiseks vaja täiendavaid ohutusmeetmeid ja nende kõrge hind hoiab neid uurimise varajases staadiumis.

Levinud tahkete soojussalvestusmaterjalide hulka kuuluvad betoon, kivi ja tulekindlad tellised. Võrreldes vedelate soojussalvestusmaterjalidega suudavad tahked soojussalvestusmaterjalid töötada kõrgematel temperatuuridel ja salvestada samas ruumis rohkem soojust, mis tähendab vajaliku materjali hulga vähenemist ja üldkulude vähenemist.

Latentne soojuse (faasimuutus) soojussalvesti

Faasimuutusega soojusenergia salvestamise tehnoloogia tugineb peamiselt varjatud soojusele kui peamisele energia salvestamise vormile. See tehnoloogia kasutab soojuse salvestamiseks suure hulga varjatud soojuse neelamist või vabastamist faasisiirde ajal. Selle protsessi käigus jääb materjali temperatuur peaaegu muutumatuks. Sellel soojusenergia salvestamise tehnoloogial on märkimisväärsed eelised, nagu suur energiatihedus ja väike maht.

Protsessi, mille käigus aine muundub ühest olekust teise, nimetatakse faasiüleminekuks. Tavaliselt toimub see üleminek isotermilistes või peaaegu{1}}isotermilistes tingimustes ja sellega kaasneb märkimisväärne energiamuutus-suure soojushulga neeldumise või vabanemisega. Seda energiat defineeritakse kui faasisiirde varjatud soojust. Eelkõige on enamiku materjalide faasiüleminekuga seotud varjatud soojus palju suurem kui tundliku soojuse oma. Näiteks vee erisoojusmaht on ligikaudu 4,2 kJ/kg· kraadi ja tahkest olekust vedelasse üleminekul (jää sulamine veeks) suudab vesi neelata faasisiirde latentse soojusena 355 kJ/kg energiat. Seetõttu on energiatiheduse osas faasisiirde latentse soojuse kasutamine märkimisväärselt parem kui meetodid, mis põhinevad ainult tundlikul soojusel.

Aine faasisiirded hõlmavad peamiselt nelja tüüpi: tahke-tahke, tahke-vedel, tahke-gaas ja vedel-gaas. Kuigi tahke -gaasi ja vedelgaasi-siiretel on kõrge latentse soojuse väärtused, raskendavad nendel juhtudel olulised mahumuutused praktilist kasutamist, piirates seega nende rakendamist. Seevastu tahke faasi üleminekud, mis tekivad tahke materjali üleminekul ühest kristallilisest olekust teise, näitavad väiksemaid ruumalamuutusi ja madalamat ülejahtumist, kuid eralduv või neelduv soojus on üldiselt madalam kui teistes faasisiirdeprotsessides. Tahke{10}}vedelfaasi üleminekul muutub aine tahkest olekust vedelaks. Kuigi selle protsessi jaoks on vedeliku hoidmiseks vaja spetsiaalset anumat, on mahu muutus palju väiksem kui tahke{12}}gaasi ja vedelgaasi{13}}faasi üleminekute korral ning sellega kaasnev varjatud soojus on oluliselt suurem kui tahke faasi üleminekul. Arvestades neid omadusi, peetakse tahke{16}}faasimuutusi praegu kõige praktilisemaks ja laialdasemalt kasutatavaks faasimuutuste termilise salvestamise meetodiks.

Praegu kasutatakse faasimuutuse soojussalvestustehnoloogias mitut tüüpi materjale, mis jagunevad peamiselt nende keemilise koostise alusel kahte kategooriasse: orgaanilised ja anorgaanilised. Orgaanilised faasimuutusmaterjalid hõlmavad peamiselt selliseid aineid nagu parafiin, alkoholid ja rasvhapped; samas kui anorgaanilisi faasimuutusi esindavad kristalsed hüdraatsoolad, sulasoolad ja metallid või nende sulamid. Üldiselt on orgaanilised faasimuutusmaterjalid sobivamad soojusenergia salvestamiseks madala kuni keskmise temperatuurivahemikus, samas kui anorgaanilistel faasimuutusmaterjalidel on parem soojusenergia salvestamine keskmise kuni kõrge temperatuuri tingimustes.

Termokeemiline soojussalvesti

Termokeemilise soojusenergia salvestamise tehnoloogial on äärmiselt kõrge energiatihedus mahuühiku kohta, ulatudes suurusjärku GJ/m³. Võrdluseks on mõistlike soojussalvestavate materjalide energiatihedus vaid umbes kümnendik ja varjatud soojust salvestavate materjalide energiatihedus vaid pool. Veelgi enam, reagentide eraldamisega saab selle tehnoloogiaga saavutada toatemperatuuril soojusenergia null-kao salvestamise, mistõttu peetakse seda laialdaselt üheks kõige lootustandvamaks tehnoloogiaks suuremahuliseks ja pikaajaliseks{5}}soojusenergia salvestamiseks. Energia salvestamise protsessiga seotud erinevate keemiliste sidemete muutuste põhjal võib termokeemilise soojusenergia salvestamise jagada kahte põhikategooriasse: kemisorptsiooniga soojusenergia salvestamine ja keemilise reaktsiooni soojusenergia salvestamine.

Kemisorptsiooniga termiline salvestamine sobib eriti hästi madalate{0}}temperatuuriliste keskkondade jaoks. See põhineb füüsikaliste või keemiliste molekulidevaheliste jõudude (nagu van der Waalsi jõud, elektrostaatilised jõud ja vesiniksidemed) moodustumisel ja purunemisel tahkete adsorbentide ja gaasiliste adsorbaatide vahel, et saavutada soojuse salvestamine ja vabanemine. See tehnoloogia hõlmab peamiselt kahte tüüpi süsteeme: üks on hüdraatunud soolasüsteem, mis kasutab adsorbaadina veeauru; teine ​​on ammoniaagi komplekssüsteem, mis kasutab adsorbaadina ammoniaagi molekule. Tabelis 1-2 on näidatud mitmete tavaliselt kasutatavate kemisorptsiooniga soojussalvestusmaterjalide konkreetsed tüübid, soojuse salvestamise/eraldumise temperatuur ja energia salvestamise tihedus.

Tabel 1-2 Tavaliselt kasutatavate keemilise adsorptsiooniga termilise säilitamise materjalide omadused:

Keemilise reaktsiooni soojusenergia salvestamist kasutatakse peamiselt keskmisel{0}} ja kõrgel-temperatuuril ning selle süsteemid on mitmekesised, sealhulgas metaani reformimine, ammoniaagi süntees ja lagundamine, metallihüdriidid, karbonaadid, metallioksiidid ja metallihüdroksiidid. Nende meetoditega saavutatakse soojusenergia salvestamine ja vabastamine keemiliste sidemete katkemise ja rekombinatsiooni kaudu. Seda tüüpi energiasalvestusel on suured reaktsiooniväärtused, kõrge energiatihedus ja lai töötemperatuuri vahemik. Praktilistes rakendustes on aga väljakutseid, sealhulgas kulude kontroll, materjalide korrosioon ja gaasi ladustamine. Seetõttu on üldise jõudluse parandamiseks vaja läbi viia-süvauuringud asjakohaste reaktsioonimehhanismide kohta ja optimeerida protsessi voogu.

Termokeemilistel soojusenergia salvestussüsteemidel on keerukad struktuurid ja arvukad abiseadmed, mille tulemuseks on suured alginvesteeringukulud. Praegu ei ole nende üli-suurt energiatihedust mahuühiku kohta täielikult ära kasutatud. Lisaks on kaasatud keemiliste reaktsioonimehhanismide keerukuse tõttu reaktsioonikiiruste täpne juhtimine keeruline ja mõnel reaktsiooniprotsessil on ranged ohutusnõuded, mis parandab veelgi üldist süsteemi tõhusust. Seetõttu on nende probleemide lahendamiseks vaja täiendavaid-süvauuringuid termokeemilise soojusenergia salvestamise tehnoloogia kohta.