In het tijdperk van snelle ontwikkeling van hernieuwbare energie is het omgaan met intermitterende energievoorziening een grote uitdaging geworden. Faseveranderingsmaterialen (PCM) vormen de kern van de technologie voor de opslag van thermische energie (WKO) en vormen een belangrijke doorbraak in de oplossing van dit kritieke probleem vanwege hun efficiënte vermogen om energie op te slaan en af te geven. Dergelijke materialen voldoen niet alleen aan de behoeften van stadsverwarming, maar zijn ook geschikt voor diverse industriële toepassingen.
In dit artikel richten we ons op de analyse van materialen met faseverandering voor de opslag van thermische energie en bespreken we hoe ze kunnen bijdragen aan het verbeteren van de energie-efficiëntie en de brede toepassing van hernieuwbare energie.
Inhoudsopgave
Wat zijn Phase Change Materials (PCM)?
Phase Change Materials (PCM) zijn een klasse materialen die grote hoeveelheden warmte kunnen absorberen of afgeven tijdens een proces van faseverandering (bv. van een vaste stof naar een vloeistof). Deze materialen worden gekenmerkt door een hoge latente warmtecapaciteit, waardoor ze efficiënt energie kunnen opslaan in een relatief kleine ruimte. Bovendien worden PCM's vanwege hun uitstekende energieopslagcapaciteit momenteel gebruikt in een groot aantal toepassingen, zoals stadsverwarming, thermisch energiebeheer in industriële omgevingen en opslag van hernieuwbare energie.
Soorten materialen die van fase veranderen
Phase change materials (PCM's) kunnen op basis van hun samenstelling en eigenschappen worden onderverdeeld in de volgende categorieën. Elk type PCM speelt een unieke rol in verschillende scenario's voor de opslag van thermische energie vanwege zijn specifieke fysieke eigenschappen en temperatuurbereik.
- Anorganische systemen: Dit zijn onder andere zouten, zouthydraten en metaallegeringen. Deze materialen hebben een hoge energieopslagdichtheid en goede thermische geleidbaarheid en worden vaak gebruikt voor de opslag van thermische energie bij hoge temperaturen.
- Organische verbindingen: de meest voorkomende zijn paraffinewas en vetzuren. Deze materialen hebben een goede chemische stabiliteit en zijn niet corrosief, en ze zijn zeer geschikt voor toepassingen voor het opslaan van thermische energie bij lage en middelhoge temperaturen.
- Polymeren: Een representatief voorbeeld is polyethyleenglycol (PEG). Dit materiaal is zowel flexibel als aanpasbaar, waardoor het ideaal is voor speciale energieopslagbehoeften.
Wilt u meer weten over hoe u het thermisch beheer van uw elektrische voertuig of energieopslagsysteem kunt optimaliseren? Vul het onderstaande formulier in en ons team van experts neemt contact met u op voor een gratis adviesgesprek.
Hoe materialen met faseverandering werken bij de opslag van thermische energie
Faseveranderende materialen slaan thermische energie op en gebruiken deze door latente warmte te absorberen en af te geven. Begrijpen hoe het werkt is daarom cruciaal voor het selecteren van het juiste faseveranderende materiaal. In systemen voor de opslag van thermische energie (WKO) komt het werkingsprincipe voornamelijk tot uiting in de volgende twee aspecten:
Methode voor warmteoverdracht
- Direct contact: het PCM is in direct contact met de warmteoverdrachtvloeistof om warmteuitwisseling te realiseren en de thermische geleidbaarheidsefficiëntie van dit materiaal is hoog. Het is echter belangrijk op te merken dat vermenging en verontreiniging van het materiaal moet worden voorkomen.
- Macroencapsulatie: Het PCM is ingekapseld in een grotere container van neutraal materiaal. Deze aanpak vergemakkelijkt de opslag en verwerking en voorkomt lekkage en chemische reacties.
- Micro-inkapseling: Het PCM inkapselen via kleine omhulsels zorgt voor een gelijkmatigere verdeling. Bovendien kan het direct worden gemengd met het matrixmateriaal, waardoor het ideaal is voor de opslag van thermische energie in precisieapparatuur.
Vereisten voor thermische stabiliteit en inkapseling
- De smelt- en stolproces van PCM heeft rechtstreeks invloed op de efficiëntie van de opslag en afgifte van thermische energie. Het bepaalt ook de bedrijfstemperatuur. Daarom is een grondig begrip van dit proces essentieel. Je moet een faseveranderingsmateriaal kiezen met een faseovergangstemperatuur die overeenkomt met de verwachte bedrijfsomgeving op basis van je specifieke behoeften voor de opslag van thermische energie.
- Een ander ding is dat het moet worden ingekapseld. Dit komt omdat effectieve inkapseling lekkage of vervuiling van de PCB tijdens gebruik voorkomt. Dit kan de levensduur en betrouwbaarheid van het systeem tot op zekere hoogte verbeteren.
Voor- en nadelen van materialen die van fase veranderen
Voordelen
- Hogere energieopslagdichtheid: PCM kan meer energie opslaan als latente warmte dan traditionele hydrothermische opslagmethoden. Vergeleken met water kan het meer warmte opslaan per volume-eenheid massa en heeft het een hoger thermisch opslagrendement.
- Kleiner temperatuurverschil tussen opslag en vrijgave: De temperatuur blijft relatief constant tijdens het faseveranderingsproces, wat de stabiliteit en efficiëntie van de opslag en afgifte van thermische energie verbetert.
- Veelzijdig bedrijfstemperatuurbereik: Er zijn verschillende soorten PCM's beschikbaar voor een breed scala aan behoeften, van lage temperaturen (-20°C) tot hoge temperaturen (meer dan 100°C).
- Cyclabiliteit: Het materiaal kan duizenden smelt- en stolcycli aan, waardoor het bijzonder geschikt is voor energieopslagsystemen die gedurende lange tijd herhaaldelijk worden gebruikt.
Nadelen
- Hoge initiële investering: PCM-materialen zijn relatief duur om te ontwikkelen, te produceren en te integreren in systemen, wat grootschalige toepassing kan beperken.
- Een lage thermische geleidbaarheid beïnvloedt de snelheid van warmteoverdracht: PCM's hebben meestal een laag warmtegeleidingsvermogen, waardoor thermische energie langzamer wordt opgeslagen en afgegeven.
- Beperkt bedrijfstemperatuurbereik: Het effectieve bedrijfstemperatuurbereik van PCM's wordt beperkt door hun faseovergangstemperatuur, die precies moet worden gekozen voor de specifieke toepassing, waardoor ze minder flexibel zijn.
- Problemen met inkapseling en lekkage: PCM's zijn gevoelig voor lekkage in vloeibare toestand, vooral anorganische zoutmaterialen die opslagapparaten kunnen aantasten. Daarom zijn speciale inkapselingstechnieken nodig om lekkage te voorkomen.
- Opslagefficiëntie beïnvloed door omgeving: PCM is gevoelig voor schommelingen in de omgevingstemperatuur. Als de hoge of lage temperatuur bijvoorbeeld buiten het bereik van de faseovergang ligt, kan het niet profiteren van de energieopslag.
De rol van TES-technologie en PCM in decarbonisatie
TES-technologieën en PCM's zijn van cruciaal belang in koolstofarme energiesystemen. Dergelijke systemen kunnen het probleem van intermittentie effectief vermijden door warmte rationeel op te slaan en af te geven.
Omgaan met intermitterende stroomvoorziening
Hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon, hebben intermitterende energieopwekkingsprocessen, wat kan leiden tot een onstabiele energie-output. In combinatie met TES-technologie kan PCM afvalwarmte en overtollige thermische energie efficiënt opslaan en tijdens piekperioden afgeven. Dit vergroot de stroomvoorzieningscapaciteit van de energiecentrale aanzienlijk en lost het probleem van intermitterende stroom effectief op.
Lager energieverbruik en hogere efficiëntie
Door thermische energie op te slaan via PCM kunnen energiecentrales vraag en aanbod van thermische energie in evenwicht houden tijdens stroomschommelingen en efficiënt blijven werken. Dit komt omdat de technologie voor de opslag van thermische energie effectief warmte opslaat die anders in verschillende vormen verloren zou gaan. Deze energie wordt vervolgens vrijgegeven wanneer deze nodig is, waardoor de operationele capaciteit van de centrale wordt verlengd. Dit ontwerp maximaliseert de efficiëntie.
Bij Trumonytechs kunnen we oplossingen bieden voor thermisch beheer op maat van specifieke behoeften. We zijn ook gespecialiseerd in het onderzoek en de toepassing van PCM-technologie. We zijn toegewijd aan het leveren van geavanceerde oplossingen voor thermisch beheer voor elektrische voertuigen, energieopslagsystemen en warmteoverdracht.
FAQ
De zouten, zouthydraten en paraffines die we hierboven hebben genoemd zijn bijzonder geschikt voor warmteopslag. Hiervan zijn paraffine en zouthydraten geschikt voor warmteopslag bij lage en middelhoge temperaturen in gebouwen, terwijl zoutmaterialen zoals nitraten meer geschikt zijn voor warmteopslag bij hoge temperaturen.
Het zuinigst is water, terwijl gesmolten zouten of metalen tot hogere temperaturen kunnen worden verhit en een betere energieabsorptie hebben.
PCB-materialen geven grote hoeveelheden energie af en absorberen deze van buitenaf door te smelten en te stollen.
