Технология за термично съхранение

Топлинна енергия, като един от най-важните енергийни източници, използвани от човечеството, се класифицира главно в три категории въз основа на принципите си на работа: разумно термично съхранение, латентно термично (промяна на фазата) термично съхранение и термохимично термично съхранение. Той представлява 40% до 50% от крайното потребление на енергия, а приложенията му са изключително широки-. В настоящата система за развитие и използване на енергията почти всички процеси на преобразуване на енергия включват топлинна енергия. Въпреки това, поради неизбежната загуба на енергия по време на преобразуване на енергия, технологията за термично съхранение рядко се прилага директно за съхранение на електрическа енергия (т.е. ситуации, при които и входът, и изходът са електрическа енергия). Вместо това по-често се използва като връзка във веригата за преобразуване на енергия или просто се прилага към топлинни системи.

Разумно съхранение на топлина

Технологията за разумно съхранение на топлина е метод за съхраняване и освобождаване на топлина чрез използване на промени в температурата на дадено вещество. Механизмът му на работа е сравнително прост: съхранението или освобождаването на топлина се постига чрез нагряване или охлаждане на средата. По време на този процес средата не претърпява химическа трансформация или фазова промяна, което прави цялата система лесна за управление и стабилна работа. Освен това има много видове такива материали за съхранение на топлина, достъпни на ниска цена, което ги прави подходящи за-приложения в голям мащаб. Тази технология е не само много зряла, но също така демонстрира широк потенциал за приложение в множество области. Разумното съхранение на топлина обаче също е изправено пред някои предизвикателства, като ниска енергийна плътност, голям размер на оборудването, значителни загуби на топлина по време на дългосрочно-съхранение и нестабилна изходна температура. Чувствителните средства за съхранение на топлина могат да бъдат класифицирани в две категории: течни и твърди. Обичайните течни материали за съхранение на топлина включват вода, термично масло, разтопена сол и течен метал. Сред тях водата, поради своята добра безопасност и стабилност и факта, че нейната температура на съхранение на топлина обикновено не надвишава 100 градуса, се използва широко в слънчеви системи за отопление на вода и отопление на помещения. Термичните масла, с тяхната отлична топлопроводимост и широк работен температурен диапазон, са били използвани в ранни приложения за съхранение на топлинна енергия при средни- и високи-температури; обаче високата им цена, запалимостта и потенциалните рискове от високо-налягане в системите със затворен-контур доведоха до постепенната им замяна с други по-добри опции. Обратно, разтопените соли, с тяхното ниско налягане на наситени пари, нисък вискозитет, висока топлопроводимост, не-запалимост и не-токсичност, се представят добре при температури, съответстващи на основните параметри на парата и са относително евтини, което ги прави считани за идеален избор за слънчево термоелектрическо преобразуване. Въпреки това, при изключително високи температури на околната среда, разтопените соли могат да корозират тръбопроводите и свързаното с тях оборудване, което налага допълнителни изследвания и подобряване на тяхната съвместимост и устойчивост на топлина с неръждаема стомана. Течните метали, поради тяхната изключително висока топлопроводимост, се считат за потенциално решение за съхранение на топлина при висока-температура (над 600 градуса); въпреки това, предвид техните силно реактивни химични свойства, са необходими допълнителни мерки за безопасност, за да се осигури нормална работа на системата, а високата им цена ги държи в ранните етапи на проучване.

Общите твърди материали за съхранение на топлина включват бетон, скали и огнеупорни тухли. В сравнение с течните материали за съхранение на топлина, твърдите материали за съхранение на топлина могат да работят при по-високи температури и да съхраняват повече топлина в същото пространство, което означава намаляване на необходимото количество материал и намаляване на общите разходи.

Скрита топлина (промяна на фазата) топлинно съхранение

Технологията за съхранение на топлинна енергия с фазова промяна разчита предимно на латентна топлина като основна форма на съхранение на енергия. Тази технология използва абсорбцията или освобождаването на големи количества латентна топлина по време на фазовите преходи за съхраняване на топлина. По време на този процес температурата на материала остава почти постоянна. Тази технология за съхранение на топлинна енергия има значителни предимства като висока енергийна плътност и малък обем.

Процесът, при който материята преминава от едно състояние в друго, се нарича фазов преход. Обикновено този преход се случва при изотермични или почти -изотермични условия и е придружен от значителна енергийна промяна-поглъщане или освобождаване на голямо количество топлина. Тази енергия се определя като латентната топлина на фазовия преход. По-специално, латентната топлина, участваща във фазовия преход на повечето материали, е много по-голяма от тази на чувствителната топлина. Например, водата има специфичен топлинен капацитет от приблизително 4,2 kJ/kg· градус и по време на прехода от твърдо към течно състояние (топене на лед във вода), водата може да абсорбира 355 kJ/kg енергия като латентна топлина на фазов преход. Следователно, по отношение на енергийната плътност, използването на латентната топлина на фазовия преход е значително по-добро от методите, които разчитат единствено на чувствителна топлина.

Фазовите преходи на материята включват основно четири вида: твърдо-твърдо, твърдо-течно, твърдо-газ и течно-газ. Въпреки че преходите в твърд-газ и течен-газ имат високи стойности на латентна топлина, значителните промени в обема в тези случаи увеличават трудността на практическата работа, като по този начин ограничават приложението им. Обратно, твърдите-твърди фазови преходи, които се случват, когато твърд материал се трансформира от едно кристално състояние в друго, показват по-малки промени в обема и по-ниско свръхохлаждане, но отделената или абсорбирана топлина обикновено е по-ниска от другите процеси на фазов преход. При фазови преходи от твърдо-течно вещество материята преминава от твърдо в течно състояние. Въпреки че този процес изисква специфичен контейнер за задържане на течността, промяната на обема е много по-малка, отколкото при фазовите преходи на твърдо-газ и течно-газообразно състояние, а включената латентна топлина е значително по-висока, отколкото при преходите на твърдо-твърдо състояние. Като се имат предвид тези характеристики, фазовите преходи на твърдо-течно състояние понастоящем се считат за най-практичния и широко приложим метод за термично съхранение с фазова промяна.

Понастоящем има много видове материали, използвани в технологията за термично съхранение с промяна на фазата, основно разделени в две категории въз основа на техния химичен състав: органични и неорганични. Материалите за органична фазова промяна включват главно вещества като парафинов восък, алкохоли и мастни киселини; докато неорганичните материали с промяна на фазата са представени от кристални хидратирани соли, разтопени соли и метали или техни сплави. Най-общо казано, материалите с органична фазова промяна са по-подходящи за съхранение на топлинна енергия в диапазона от ниски до средни температури, докато материалите с неорганична фазова промяна показват по-добри характеристики на съхранение на топлинна енергия при средни до високи температурни условия.

Термохимично термично съхранение

Термохимичната технология за съхранение на топлинна енергия може да се похвали с изключително висока енергийна плътност на единица обем, достигаща от порядъка на GJ/m³. За сравнение енергийната плътност на материалите за чувствително съхранение на топлина е само около една-десета, а тази на материалите за съхранение на латентна топлина е само половината. Освен това, чрез разделяне на реагентите, тази технология може да постигне съхранение на топлинна енергия с нулеви -загуби при стайна температура, като по този начин се смята широко за една от най-обещаващите технологии за-мащабно и дългосрочно-съхранение на топлинна енергия. Въз основа на различните промени на химичните връзки, участващи в процеса на съхранение на енергия, термохимичното съхранение на топлинна енергия може да бъде допълнително разделено на две основни категории: хемосорбционно съхранение на топлинна енергия и съхранение на топлинна енергия чрез химическа реакция.

Хемосорбционното термично съхранение е особено подходящо за приложения в среда с ниска{0}}температура. Той разчита на образуването и прекъсването на физически или химични междумолекулни сили (като сили на Ван дер Ваалс, електростатични сили и водородни връзки) между твърди адсорбенти и газообразни адсорбати, за да се постигне съхранение и освобождаване на топлина. Тази технология включва основно две категории системи: едната е система с хидратирана сол, използваща водна пара като адсорбат; другата е амонячна сложна система, използваща амонячни молекули като адсорбат. Таблица 1-2 показва специфичните типове, температури на съхранение/отделяне на топлина и плътности на съхранение на енергия на няколко често използвани хемосорбционни термоакумулиращи материали.

Таблица 1-2 Свойства на често използвани химическо адсорбционни термични материали за съхранение:

Съхраняването на топлинна енергия при химическа реакция се прилага главно при условия на средна- и висока-температура и неговите системи са разнообразни, включително преобразуване на метан, синтез и разлагане на амоняк, метални хидриди, карбонати, метални оксиди и метални хидроксиди. Тези методи постигат съхранение и освобождаване на топлинна енергия чрез разкъсване и рекомбинация на химични връзки. Този тип съхранение на енергия притежава големи реакционни стойности, висока енергийна плътност и широк работен температурен диапазон. В практическите приложения обаче остават предизвикателства, включително контрол на разходите, корозия на материала и съхранение на газ. Следователно е необходимо да се проведе-задълбочено изследване на съответните механизми на реакция и да се оптимизира протичането на процеса, за да се подобри цялостната производителност.

Термохимичните системи за съхранение на топлинна енергия имат сложни структури и множество спомагателни устройства, което води до високи първоначални инвестиционни разходи. Понастоящем тяхната свръх-висока енергийна плътност на единица обем не е напълно използвана. Освен това, поради сложността на включените механизми на химическа реакция, прецизният контрол на скоростта на реакцията е предизвикателство и някои реакционни процеси имат строги изисквания за безопасност, което допълнително подобрява цялостната ефективност на системата. Следователно са необходими по-нататъшни-задълбочени изследвания на технологията за термохимично съхранение на топлинна енергия за справяне с тези проблеми.