Nell'era del rapido sviluppo delle energie rinnovabili, la gestione dell'alimentazione intermittente è diventata una sfida importante. I materiali a cambiamento di fase (PCM), che costituiscono il cuore della tecnologia di accumulo dell'energia termica (TES), stanno diventando un importante passo avanti nella soluzione di questo problema critico, grazie alle loro efficienti capacità di accumulo e rilascio di energia. Questi materiali non solo soddisfano le esigenze del teleriscaldamento, ma sono anche adatti a diverse applicazioni industriali.
In questo articolo ci concentreremo sull'analisi dei materiali a cambiamento di fase per l'accumulo di energia termica e discuteremo di come possano contribuire a migliorare l'efficienza energetica e l'ampia applicazione delle energie rinnovabili.
Indice dei contenuti
Cosa sono i materiali a cambiamento di fase (PCM)?
Materiali a cambiamento di fase (PCM) sono una classe di materiali in grado di assorbire o rilasciare grandi quantità di calore durante un processo di cambiamento di fase (ad esempio, da un solido a un liquido). Questi materiali sono caratterizzati da un'elevata capacità di calore latente, che consente loro di immagazzinare energia in modo efficiente in uno spazio relativamente ridotto. Inoltre, grazie alla loro eccellente capacità di accumulo di energia, i PCM sono attualmente utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, come il teleriscaldamento, la gestione dell'energia termica negli ambienti industriali e l'accumulo di energia rinnovabile.
Tipi di materiali a cambiamento di fase
I materiali a cambiamento di fase (PCM) possono essere suddivisi nelle seguenti categorie in base alla loro composizione e proprietà. Ogni tipo di PCM svolge un ruolo unico in diversi scenari di accumulo di energia termica grazie alle sue specifiche proprietà fisiche e all'intervallo di temperatura.
- Sistemi inorganici: Si tratta di sali, idrati di sale e leghe metalliche. Questi materiali hanno un'elevata densità di accumulo di energia e una buona conducibilità termica e sono comunemente utilizzati per l'accumulo di energia termica ad alta temperatura.
- Composti organici: quelli più comuni sono cera di paraffina e acidi grassi. Questi materiali hanno una buona stabilità chimica e non sono corrosivi, e sono adatti per applicazioni di accumulo di energia termica a bassa e media temperatura.
- Polimeri: Un esempio rappresentativo è polietilenglicole (PEG). Questo materiale è flessibile e regolabile, ed è quindi ideale per particolari esigenze di accumulo di energia.
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Come funzionano i materiali a cambiamento di fase nell'accumulo di energia termica
I materiali a cambiamento di fase immagazzinano e utilizzano l'energia termica assorbendo e rilasciando calore latente. Capire come funziona è quindi fondamentale per scegliere il giusto materiale a cambiamento di fase. Nei sistemi di accumulo di energia termica (TES), il principio di funzionamento si riflette principalmente nei due aspetti seguenti:
Metodo di trasferimento del calore
- Contatto diretto: il PCM è a diretto contatto con il fluido termovettore per realizzare lo scambio termico e l'efficienza della conducibilità termica di questo materiale è elevata. Tuttavia, è necessario evitare la miscelazione e la contaminazione dei materiali.
- Macroincapsulazione: Il PCM è incapsulato in un contenitore più grande fatto di materiale neutro. Questo approccio facilita lo stoccaggio e la manipolazione, evitando perdite e reazioni chimiche.
- Microincapsulazione: Incapsulamento del PCM attraverso I gusci minuscoli consentono una distribuzione più uniforme. Inoltre, può essere miscelato direttamente con il materiale della matrice, rendendolo ideale per l'accumulo di energia termica nelle apparecchiature di precisione.
Requisiti di stabilità termica e incapsulamento
- Il processo di fusione e solidificazione di PCM influisce direttamente l'efficienza dell'accumulo e del rilascio di energia termica. Inoltre, determina la temperatura di esercizio. Pertanto, è essenziale una comprensione approfondita di questo processo. È necessario selezionare un materiale a cambiamento di fase con una temperatura di cambiamento di fase che corrisponda all'ambiente operativo previsto in base alle specifiche esigenze di accumulo di energia termica.
- Un'altra cosa è che deve essere incapsulato. Questo perché un incapsulamento efficace impedisce la perdita o la contaminazione del PCB durante l'uso. Ciò può migliorare in una certa misura la durata e l'affidabilità del sistema.
Vantaggi e svantaggi dei materiali a cambiamento di fase
Vantaggi
- Maggiore densità di accumulo di energia: Il PCM è in grado di immagazzinare più energia come calore latente rispetto ai tradizionali metodi di stoccaggio idrotermico. Rispetto all'acqua, può immagazzinare più calore per unità di volume di massa e ha una maggiore efficienza di accumulo termico.
- Minore differenza di temperatura tra stoccaggio e rilascio: La temperatura rimane relativamente costante durante il processo di cambiamento di fase, migliorando la stabilità e l'efficienza dell'accumulo e del rilascio di energia termica.
- Intervallo di temperatura operativa versatile: Sono disponibili diversi tipi di PCM per coprire un'ampia gamma di esigenze, dalle basse temperature (-20°C) alle alte temperature (oltre 100°C).
- Ciclabilità: Il materiale può sopportare migliaia di cicli di fusione e solidificazione, rendendolo particolarmente adatto ai sistemi di accumulo di energia che vengono utilizzati ripetutamente per un lungo periodo di tempo.
Svantaggi
- Elevato investimento iniziale: I materiali PCM sono relativamente costosi da sviluppare, produrre e integrare nei sistemi, il che può limitarne la diffusione su larga scala.
- La bassa conducibilità termica influisce sulla velocità di trasferimento del calore: I PCM hanno in genere una bassa conducibilità termica, che si traduce in tassi più lenti di accumulo e rilascio di energia termica.
- Intervallo di temperatura operativa limitato: L'intervallo di temperatura operativa effettiva dei PCM è limitato dalla loro temperatura di cambiamento di fase, che deve essere selezionata con precisione per l'applicazione specifica, rendendoli meno flessibili.
- Problemi di incapsulamento e perdite: I PCM sono soggetti a perdite allo stato liquido, in particolare i materiali salini inorganici che possono corrodere i dispositivi di stoccaggio. Per prevenire le perdite sono quindi necessarie speciali tecniche di incapsulamento.
- L'efficienza di stoccaggio è influenzata dall'ambiente: Il PCM è sensibile alle fluttuazioni della temperatura ambiente. Ad esempio, quando la temperatura alta o bassa è al di fuori dell'intervallo di transizione di fase, non può sfruttare l'accumulo di energia.
Il ruolo della tecnologia TES e del PCM nella decarbonizzazione
Le tecnologie TES e i PCM sono fondamentali nei sistemi energetici a basse emissioni di carbonio. Tali sistemi possono evitare efficacemente il problema dell'intermittenza immagazzinando e rilasciando il calore in modo razionale.
Gestione dell'alimentazione intermittente
Le fonti di energia rinnovabili, come l'eolico e il solare, hanno processi di generazione di energia intermittenti, che possono portare a una produzione di energia instabile. Il PCM, combinato con la tecnologia TES, può immagazzinare in modo efficiente il calore residuo e l'energia termica in eccesso e rilasciarla durante i periodi di picco. Ciò aumenta notevolmente la capacità di alimentazione della centrale elettrica e risolve efficacemente il problema dell'energia intermittente.
Riduzione del consumo energetico e aumento dell'efficienza
Immagazzinando l'energia termica attraverso il PCM, le centrali elettriche possono bilanciare l'offerta e la domanda di energia termica durante le fluttuazioni di potenza e mantenere un funzionamento efficiente. Questo perché la tecnologia di accumulo dell'energia termica conserva efficacemente il calore che altrimenti andrebbe sprecato in varie forme. Questa energia viene poi rilasciata quando è necessaria, prolungando la capacità operativa dell'impianto. Questo design massimizza l'efficienza.
Noi di Trumonytechs siamo in grado di fornire soluzioni di gestione termica su misura per esigenze specifiche. Siamo inoltre specializzati nella ricerca e nell'applicazione della tecnologia PCM. Ci impegniamo a fornire soluzioni avanzate di gestione termica per i veicoli elettrici, i sistemi di accumulo di energia e il trasferimento di calore.
FAQ
I sali, gli idrati di sale e le paraffine di cui sopra sono particolarmente adatti per l'accumulo di calore. Di questi, la paraffina e gli idrati di sale sono adatti per le esigenze di accumulo di calore negli edifici a bassa e media temperatura, mentre i materiali salini come i nitrati sono più adatti per l'accumulo di calore ad alta temperatura.
Il più economico è l'acqua, mentre i sali fusi o i metalli possono essere riscaldati a temperature più elevate e assorbire meglio l'energia.
I materiali PCB rilasciano e assorbono grandi quantità di energia dall'esterno, fondendosi e solidificandosi.
