Zkoumání inovativního řešení pro skladování tepelné energie
Už jste si někdy ulevili od letních veder tím, že jste si přehodili přes hlavu mokrý ručník? Pokud ano, máte prospěch z materiálu se změnou skupenství (PCM): látka, která uvolňuje nebo absorbuje energii, když přechází mezi dvěma základními skupenstvími hmoty, jako je pevné, kapalné nebo plynné skupenství. Váš vlhký ručník vás ochladí, protože voda je PCM, který absorbuje teplo, když se vypařuje – jinými slovy, když přechází z kapalného do plynného stavu.
Schopnost PCM absorbovat a uvolňovat energii v poslední době přitahuje více pozornosti kvůli posunu společnosti od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům energie, které jsou dostupné jen občas. Protože sluneční světlo je v noci nedostupné a vítr se mění, nemůžeme zachytit jejich energii právě tehdy, když ji potřebujeme; spíše potřebujeme způsoby, jak to uložit pro budoucí použití. PCM nabízejí příslib jako úložné řešení, ale dosud bylo jejich použití omezeno zdánlivě neřešitelnými technickými problémy.
Nyní, jak je podrobně popsáno v článku právě publikovaném v Nature Energy, byla jedna velká výzva překonána díky pozoruhodně jednoduchému nápadu, který otevřel dveře rozšířenému využití PCM pro energeticky účinné vytápění a chlazení.
Nenad Miljkovic, který je jedním z autorů a zároveň Ph.D. poradce hlavního autora Wuchen Fu vysvětluje, že jakýkoli systém skladování tepelné energie (TES) má dvě důležité metriky: „Jedním z nich je hustota energie, což je množství energie, které můžete uložit na jednotku objemu nebo na jednotku hmotnosti; pak je tu hustota výkonu, což je rychlost, jakou můžete extrahovat energii z tohoto systému na jednotku objemu nebo na jednotku hmotnosti." Vysoké úrovně obou jsou žádoucí, ale většina systémů má buď vysokou hustotu energie, ale nízkou hustotu výkonu (např. blok ledu), nebo vysokou hustotu výkonu, ale nízkou hustotu energie (např. blok kovu).
"Klasicky způsob, jakým s tím lidé zacházejí - již více než třicet, čtyřicet let - je to, že obojí mísí. Dělají to, že vytvářejí kompozity, kde část objemu tvoří kov nebo kovová matrice, která pomáhá vést teplo a dosáhnout dobré hustoty výkonu,“ říká. "Ale kompromisem je, že ztrácejí skladovací materiál, a tak v procesu obětují hustotu energie."
"To, co naše metoda dělá," vysvětluje Miljkovic, "je to, že zcela odděluje obě," tj. hustotu energie a hustotu výkonu.
Jejich pochopení bylo, že aplikace mírného tlaku na tající PCM může vyřešit problém jednoduše tím, že bude PCM umístěna přímo u zdroje tepla, který jej taví.
Dříve se k dosažení přechodu z pevné látky na kapalinu používal stacionární zdroj tepla k roztavení sousedního stacionárního bloku PCM. Jak teplo roztavilo přilehlou stranu PCM, tato „čela taveniny“ PCM se vzdalovala od zdroje tepla – a rostoucí vzdálenost mezi zdrojem tepla a smršťujícím se PCM se promítla do klesající hustoty výkonu a stále ne efektivnějšího systému.
Experimenty diskutované v článku prokázaly účinnost nového přístupu.
Miljkovic říká, že nové řešení bylo inspirováno low-tech pozorováním, že můžete tyčinku másla rozpustit v horké pánvi, když na ni zatlačíte, místo abyste ji jen vložili a čekali. "Naším hlavním přínosem zde není žádný luxusní materiál nebo nějaký drahý systém! Ve skutečnosti je to jednoduchost," říká.
"Tepelné
skladování je již dlouho předmětem zájmu výzkumníků, ale dosud nebylo využito
pro mnoho aplikací," poznamenává spoluautor William King. "Opravdu
potřebujeme vysoký výkon, aby byl opravdu působivý a užitečný pro náročné
aplikace, jako jsou elektrická vozidla, výroba energie a datová centra. Naše
práce umožňuje dosáhnout tepelného akumulace při vysokém výkonu, který dříve nebyl možný."
Mezi běžně používané materiály PCM patří speciální parafíny a vosky nebo také hydráty soli.
Přiložené soubory:
- Experimentální aparatura pro tlak na PCM
