재생 에너지 개발이 급속히 진행되는 시대에 간헐적인 전력 공급을 처리하는 것이 주요 과제가 되었습니다. 열 에너지 저장(TES) 기술의 핵심인 상변화 물질(PCM)은 효율적인 에너지 저장 및 방출 기능으로 인해 이 중요한 문제를 해결하는 데 중요한 돌파구가 되고 있습니다. 이러한 소재는 지역 난방의 요구를 충족할 뿐만 아니라 다양한 산업 응용 분야에도 적합합니다.
이 글에서는 열 에너지 저장을 위한 상변화 물질 분석에 초점을 맞춰 에너지 효율 향상과 재생 에너지의 광범위한 적용에 어떻게 기여할 수 있는지에 대해 논의합니다.
목차
상변화 물질(PCM)이란 무엇인가요?
상변화 물질(PCM) 는 상 변화 과정(예: 고체에서 액체로)에서 많은 양의 열을 흡수하거나 방출할 수 있는 물질의 일종입니다. 이러한 소재는 잠열 용량이 높아 비교적 작은 공간에 효율적으로 에너지를 저장할 수 있는 것이 특징입니다. 또한 에너지 저장 능력이 뛰어나기 때문에 현재 지역 난방, 산업 환경의 열 에너지 관리, 재생 에너지 저장 등 다양한 분야에서 PCM이 사용되고 있습니다.
상 변화 재료의 종류
상변화 물질(PCM)은 구성과 특성에 따라 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다. 각 유형의 PCM은 특정 물리적 특성과 온도 범위로 인해 다양한 열 에너지 저장 시나리오에서 고유한 역할을 수행합니다.
- 무기 시스템: 여기에는 소금, 소금 수화물, 금속 합금이 포함됩니다. 이러한 물질은 에너지 저장 밀도가 높고 열전도율이 우수하며 일반적으로 고온 열 에너지 저장에 사용됩니다.
- 유기 화합물: 일반적인 화합물은 다음과 같습니다. 파라핀 왁스 및 지방산. 이러한 재료는 화학적 안정성이 우수하고 부식성이 없어 저온 및 중온 열 에너지 저장 애플리케이션에 적합합니다.
- 폴리머: 대표적인 예는 다음과 같습니다. 폴리에틸렌 글리콜(PEG). 이 소재는 유연하고 조절이 가능하여 특수한 에너지 저장 요구에 이상적입니다.
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열 에너지 저장에서 상 변화 재료가 작동하는 방식
상변화 물질은 잠열을 흡수하고 방출하여 열 에너지를 저장하고 활용합니다. 따라서 올바른 상변화 물질을 선택하려면 그 작동 원리를 이해하는 것이 중요합니다. 열 에너지 저장(TES) 시스템에서 작동 원리는 주로 다음 두 가지 측면에 반영됩니다:
열 전달 방법
- 직접 연락: PCM은 열전달 유체와 직접 접촉하여 열교환을 실현하고 이 소재의 열전도 효율이 높습니다. 그러나 재료 혼합 및 오염을 방지해야 한다는 점은 주목할 필요가 있습니다.
- 매크로 캡슐화: PCM은 중성 물질로 만들어진 더 큰 용기에 캡슐화되어 있습니다. 이 접근 방식은 누출과 화학 반응을 방지하면서 보관과 취급을 용이하게 합니다.
- 마이크로캡슐화: PCM 캡슐화 통해 작은 쉘을 사용하면 더 고르게 분포할 수 있습니다. 또한 매트릭스 재료와 직접 혼합할 수 있어 정밀 장비의 열 에너지 저장에 이상적입니다.
열 안정성 및 캡슐화 요구 사항
- 그리고 용융 및 응고 과정 의 PCM 직접적으로 영향을 미치는 열 에너지 저장 및 방출의 효율성을 결정합니다. 또한 작동 온도도 결정합니다. 따라서 이 프로세스에 대한 심층적인 이해가 필수적입니다. 특정 열 에너지 저장 요구 사항에 따라 예상 작동 환경에 맞는 상 변화 온도를 가진 상 변화 물질을 선택해야 합니다.
- 또 다른 한 가지는 캡슐화해야 한다는 것입니다. 효과적인 캡슐화는 사용 중 PCB의 누출이나 오염을 방지하기 때문입니다. 이는 시스템의 서비스 수명과 신뢰성을 어느 정도 향상시킬 수 있습니다.
상 변화 재료의 장단점
장점
- 더 높은 에너지 저장 밀도: PCM은 기존의 수열 저장 방식보다 더 많은 에너지를 잠열로 저장할 수 있습니다. 물에 비해 단위 질량당 더 많은 열을 저장할 수 있고 열 저장 효율도 높습니다.
- 보관과 릴리스 사이의 온도 차이가 더 작아집니다: 상 변화 과정에서 온도가 비교적 일정하게 유지되므로 열 에너지 저장 및 방출의 안정성과 효율성이 향상됩니다.
- 다양한 작동 온도 범위: 저온(-20°C)부터 고온(100°C 이상)까지 다양한 요구 사항을 충족할 수 있는 다양한 유형의 PCM을 사용할 수 있습니다.
- 순환성: 이 소재는 수천 번의 용융 및 응고 사이클을 견딜 수 있어 장시간 반복적으로 사용하는 에너지 저장 시스템에 특히 적합합니다.
단점
- 높은 초기 투자 비용: PCM 소재는 개발, 제조 및 시스템에 통합하는 데 상대적으로 비용이 많이 들기 때문에 대규모 배포에 제한이 있을 수 있습니다.
- 열전도율이 낮으면 열 전달 속도에 영향을 미칩니다: PCM은 일반적으로 열전도율이 낮기 때문에 열 에너지 저장 및 방출 속도가 느립니다.
- 제한된 작동 온도 범위: PCM의 유효 작동 온도 범위는 상 변화 온도에 따라 제한되며, 특정 애플리케이션에 맞게 정밀하게 선택해야 하므로 유연성이 떨어집니다.
- 캡슐화 및 누출 문제: PCM은 액체 상태에서 누출되기 쉬우며, 특히 저장 장치를 부식시킬 수 있는 무기염류 물질은 누출되기 쉽습니다. 따라서 누출을 방지하기 위해 특별한 캡슐화 기술이 필요합니다.
- 환경에 따라 스토리지 효율성이 영향을 받습니다: PCM은 주변 온도 변동에 민감합니다. 예를 들어, 고온 또는 저온이 상전이 범위를 벗어나면 에너지 저장을 활용할 수 없습니다.
탈탄소화에서 TES 기술과 PCM의 역할
TES 기술과 PCM은 저탄소 에너지 시스템에서 매우 중요합니다. 이러한 시스템은 열을 합리적으로 저장하고 방출하여 간헐성 문제를 효과적으로 방지할 수 있습니다.
간헐적 전력 공급에 대처하기
풍력이나 태양광과 같은 재생 에너지원은 간헐적인 발전 과정을 거치기 때문에 전력 출력이 불안정할 수 있습니다. PCM은 TES 기술과 결합하여 폐열과 잉여 열 에너지를 효율적으로 저장하고 피크 시간대에 방출할 수 있습니다. 이를 통해 발전소의 전력 공급 능력을 크게 향상시키고 간헐적 전력 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
에너지 소비 감소 및 효율성 향상
PCM을 통해 열에너지를 저장함으로써 발전소는 전력 변동 시 열에너지의 공급과 수요의 균형을 맞추고 효율적인 운영을 유지할 수 있습니다. 이는 열 에너지 저장 기술이 다양한 형태로 낭비될 수 있는 열을 효과적으로 보존하기 때문입니다. 이 에너지는 필요할 때 방출되어 발전소의 가동 용량을 늘릴 수 있습니다. 이 설계는 효율성을 극대화합니다.
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자주 묻는 질문
위에서 언급한 소금, 소금 수화물, 파라핀은 특히 열 저장에 적합합니다. 이 중 파라핀과 소금 수화물은 저온 및 중온 건물 열 저장에 적합하고 질산염과 같은 소금 재료는 고온 열 저장에 더 적합합니다.
가장 경제적인 것은 물이며, 용융 염이나 금속은 더 높은 온도로 가열할 수 있고 에너지 흡수율이 더 높습니다.
PCB 소재는 녹고 굳어지면서 외부로 많은 양의 에너지를 방출하고 흡수합니다.
