Na era do rápido desenvolvimento das energias renováveis, lidar com o fornecimento intermitente de energia tornou-se um grande desafio. Como núcleo da tecnologia de armazenamento de energia térmica (TES), os materiais de mudança de fase (PCM) estão a tornar-se um avanço importante na resolução deste problema crítico devido às suas capacidades eficientes de armazenamento e libertação de energia. Estes materiais não só satisfazem as necessidades do aquecimento urbano, como também são adequados para várias aplicações industriais.
Neste artigo, centrar-nos-emos na análise dos materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica e discutiremos a forma como podem contribuir para melhorar a eficiência energética e a ampla aplicação das energias renováveis.
Índice
O que são materiais de mudança de fase (PCM)?
Materiais de mudança de fase (PCM) são uma classe de materiais capazes de absorver ou libertar grandes quantidades de calor durante um processo de mudança de fase (por exemplo, de um sólido para um líquido). Estes materiais são caracterizados por uma elevada capacidade de calor latente, o que lhes permite armazenar energia de forma eficiente num espaço relativamente pequeno. Além disso, devido à sua excelente capacidade de armazenamento de energia, os PCM são atualmente utilizados numa vasta gama de aplicações, como o aquecimento urbano, a gestão da energia térmica em ambientes industriais e o armazenamento de energias renováveis.
Tipos de materiais de mudança de fase
Os materiais de mudança de fase (PCMs) podem ser divididos nas seguintes categorias com base na sua composição e propriedades. Cada tipo de PCM desempenha um papel único em diferentes cenários de armazenamento de energia térmica devido às suas propriedades físicas específicas e gama de temperaturas.
- Sistemas inorgânicos: Estes incluem sais, hidratos de sal e ligas metálicas. Estes materiais têm uma elevada densidade de armazenamento de energia e uma boa condutividade térmica e são normalmente utilizados para o armazenamento de energia térmica a altas temperaturas.
- Compostos orgânicos: os mais comuns são cera de parafina e ácidos gordos. Estes materiais têm uma boa estabilidade química e não são corrosivos, pelo que são adequados para aplicações de armazenamento de energia térmica a baixa e média temperatura.
- Polímeros: Um exemplo representativo é polietilenoglicol (PEG). Este material é flexível e ajustável, o que o torna ideal para necessidades especiais de armazenamento de energia.
Quer saber mais sobre como otimizar a gestão térmica do seu veículo elétrico ou sistema de armazenamento de energia? Preencha o formulário abaixo e a nossa equipa de especialistas entrará em contacto consigo para uma consulta gratuita.
Como funcionam os materiais de mudança de fase no armazenamento de energia térmica
Os materiais de mudança de fase armazenam e utilizam a energia térmica através da absorção e libertação de calor latente. Compreender o seu funcionamento é, portanto, crucial para selecionar o material de mudança de fase adequado. Nos sistemas de armazenamento de energia térmica (TES), o princípio de funcionamento reflecte-se principalmente nos dois aspectos seguintes:
Método de transferência de calor
- Contacto direto: o PCM está em contacto direto com o fluido de transferência de calor para realizar a troca de calor, e a eficiência da condutividade térmica deste material é elevada. No entanto, é de salientar que é necessário evitar a mistura e a contaminação do material.
- Macroencapsulação: O PCM é encapsulado num recipiente maior feito de material neutro. Esta abordagem facilita o armazenamento e o manuseamento, evitando fugas e reacções químicas.
- Microencapsulação: Encapsulamento do PCM através de As pequenas conchas permitem uma distribuição mais uniforme. Além disso, pode ser misturado diretamente com o material da matriz, o que o torna ideal para o armazenamento de energia térmica em equipamentos de precisão.
Estabilidade térmica e requisitos de encapsulamento
- O processo de fusão e solidificação de PCM afecta diretamente a eficiência do armazenamento e libertação de energia térmica. Determina também a sua temperatura de funcionamento. Por conseguinte, é essencial uma compreensão aprofundada deste processo. É necessário selecionar um material de mudança de fase com uma temperatura de mudança de fase que corresponda ao ambiente de funcionamento esperado com base nas suas necessidades específicas de armazenamento de energia térmica.
- Outro aspeto é o facto de ter de ser encapsulado. Isto porque um encapsulamento eficaz evita fugas ou contaminação do PCB durante a utilização. Isto pode aumentar, em certa medida, a vida útil e a fiabilidade do sistema.
Vantagens e desvantagens dos materiais de mudança de fase
Vantagens
- Maior densidade de armazenamento de energia: O PCM pode armazenar mais energia como calor latente do que os métodos tradicionais de armazenamento hidrotérmico. Em comparação com a água, pode armazenar mais calor por unidade de volume de massa e tem uma maior eficiência de armazenamento térmico.
- Menor diferença de temperatura entre a armazenagem e a libertação: A temperatura permanece relativamente constante durante o processo de mudança de fase, o que melhora a estabilidade e a eficiência do armazenamento e da libertação de energia térmica.
- Gama de temperaturas de funcionamento versátil: Estão disponíveis diferentes tipos de PCM para cobrir uma vasta gama de necessidades, desde baixas temperaturas (-20°C) a altas temperaturas (mais de 100°C).
- Ciclabilidade: O material pode suportar milhares de ciclos de fusão e solidificação, o que o torna particularmente adequado para sistemas de armazenamento de energia que são utilizados repetidamente durante um longo período de tempo.
Desvantagens
- Investimento inicial elevado: Os materiais PCM são relativamente caros para desenvolver, fabricar e integrar nos sistemas, o que pode limitar a sua utilização em grande escala.
- A baixa condutividade térmica afecta a taxa de transferência de calor: Os PCM têm normalmente uma baixa condutividade térmica, o que resulta em taxas mais lentas de armazenamento e libertação de energia térmica.
- Gama de temperaturas de funcionamento limitada: A gama de temperaturas de funcionamento efectiva dos PCM é limitada pela sua temperatura de mudança de fase, que tem de ser selecionada com precisão para a aplicação específica, o que os torna menos flexíveis.
- Questões de encapsulamento e fugas: Os PCMs são propensos a fugas no estado líquido, especialmente os materiais salinos inorgânicos que podem corroer os dispositivos de armazenamento. Por conseguinte, são necessárias técnicas especiais de encapsulamento para evitar fugas.
- A eficiência do armazenamento é afetada pelo ambiente: O PCM é sensível às flutuações da temperatura ambiente. Por exemplo, quando a temperatura alta ou baixa está fora do intervalo de transição de fase, não pode tirar partido do armazenamento de energia.
O papel da tecnologia TES e PCM na descarbonização
As tecnologias TES e os PCM são fundamentais nos sistemas energéticos com baixas emissões de carbono. Estes sistemas podem evitar eficazmente o problema da intermitência, armazenando e libertando o calor de forma racional.
Lidar com a energia intermitente
As fontes de energia renováveis, como a eólica e a solar, têm processos de produção de energia intermitentes, o que pode levar a uma produção de energia instável. O PCM, combinado com a tecnologia TES, pode armazenar eficazmente o calor residual e o excesso de energia térmica e libertá-lo durante os períodos de pico. Isto aumenta consideravelmente a capacidade de fornecimento de energia da central eléctrica e resolve eficazmente o problema da energia intermitente.
Redução do consumo de energia e aumento da eficiência
Ao armazenar energia térmica através de PCM, as centrais eléctricas podem equilibrar a oferta e a procura de energia térmica durante as flutuações de energia e manter um funcionamento eficiente. Isto deve-se ao facto de a tecnologia de armazenamento de energia térmica conservar eficazmente o calor que, de outra forma, seria desperdiçado sob várias formas. Esta energia é depois libertada quando é necessária, aumentando a capacidade de funcionamento da central. Esta conceção maximiza a eficiência.
Na Trumonytechs, podemos fornecer soluções de gestão térmica adaptadas a necessidades específicas. Também somos especializados na pesquisa e aplicação da tecnologia PCM. Estamos empenhados em fornecer soluções avançadas de gestão térmica para veículos eléctricos, sistemas de armazenamento de energia e transferência de calor.
FAQ
Os sais, hidratos de sal e parafinas que mencionámos acima são particularmente adequados para o armazenamento de calor. Destes, a parafina e os hidratos de sal são adequados para as necessidades de armazenamento de calor em edifícios a baixa e média temperatura, enquanto os materiais salinos, como os nitratos, são mais adequados para o armazenamento de calor a alta temperatura.
A mais económica é a água, enquanto os sais fundidos ou os metais podem ser aquecidos a temperaturas mais elevadas e têm uma melhor absorção de energia.
Os materiais PCB libertam e absorvem grandes quantidades de energia no exterior através da fusão e solidificação.
