Termiese bergingstegnologie

Termiese energie, as een van die belangrikste energiebronne wat deur die mensdom gebruik word, word hoofsaaklik in drie kategorieë geklassifiseer op grond van sy werksbeginsels: sinvolle termiese berging, latente termiese (faseverandering) termiese berging en termochemiese termiese berging. Dit is verantwoordelik vir 40% tot 50% van finale energieverbruik, en die toepassings daarvan is uiters wyd-wyd. In die huidige energie-ontwikkeling en -benuttingstelsel behels byna alle energie-omsettingsprosesse termiese energie. As gevolg van die onvermydelike energieverlies tydens energie-omskakeling, word termiese bergingstegnologie egter selde direk op elektriese energieberging toegepas (dws situasies waar beide inset en uitset elektriese energie is). In plaas daarvan word dit meer dikwels as 'n skakel in die energie-omskakelingsketting gebruik of bloot op termiese stelsels toegepas.

Sinvolle hitteberging

Sinvolle hittebergingstegnologie is 'n metode om hitte te berg en vry te stel deur veranderinge in die temperatuur van 'n stof te gebruik. Die werkmeganisme daarvan is relatief eenvoudig: hitteberging of vrystelling word verkry deur die medium te verhit of af te koel. Tydens hierdie proses ondergaan die medium nie chemiese transformasie of faseverandering nie, wat die hele stelsel maklik maak om te beheer en stabiel te bedryf. Verder is daar baie soorte sulke hittebergingsmateriaal teen lae koste beskikbaar, wat dit geskik maak vir groot-toepassings. Hierdie tegnologie is nie net hoogs volwasse nie, maar toon ook breë toepassingspotensiaal in verskeie velde. Sinvolle hitteberging staar egter ook sekere uitdagings in die gesig, soos lae energiedigtheid, groot toerustinggrootte, aansienlike hitteverlies tydens lang-berging en onstabiele uitsettemperatuur. Aanvoelbare hittebergingsmedia kan breedweg in twee kategorieë geklassifiseer word: vloeistof en vaste stof. Algemene vloeibare hittebergingsmateriaal sluit in water, termiese olie, gesmelte sout en vloeibare metaal. Onder hierdie word water, as gevolg van sy goeie veiligheid en stabiliteit, en die feit dat sy hittebergingstemperatuur gewoonlik nie 100 grade oorskry nie, wyd gebruik in sonkragwaterverhittingstelsels en ruimteverhitting. Termiese olies, met hul uitstekende termiese geleidingsvermoë en wye bedryfstemperatuurreeks, is in vroeë medium- en hoë-temperatuur termiese energiebergingstoepassings gebruik; hul hoë koste, vlambaarheid en die potensiële hoë-drukrisiko's in geslote-lusstelsels het egter daartoe gelei dat hulle geleidelik deur ander voortreflike opsies vervang word. Daarteenoor presteer gesmelte soute, met hul lae versadigde dampdruk, lae viskositeit, hoë termiese geleidingsvermoë, nie-vlambaarheid en nie-toksisiteit, goed by temperature wat ooreenstem met hoofstroomstoomparameters en is relatief goedkoop, wat dit as 'n ideale keuse vir termo-elektriese sonkrag-omskakeling beskou maak. By uiters hoë omgewingstemperature kan gesmelte soute egter pyplyne en verwante toerusting korrodeer, wat verdere navorsing en verbetering van hul verenigbaarheid en hittebestandheid met vlekvrye staal noodsaak. Vloeibare metale, as gevolg van hul uiters hoë termiese geleidingsvermoë, word beskou as 'n potensiële hoë-temperatuur (meer as 600 grade) termiese bergingsoplossing; gegewe hul hoogs reaktiewe chemiese eienskappe, is bykomende veiligheidsmaatreëls egter nodig om normale stelselwerking te verseker, en hul hoë koste hou hulle in die vroeë stadiums van eksplorasie.

Algemene soliede termiese bergingsmateriaal sluit beton, rots en vuurvaste stene in. In vergelyking met vloeibare termiese bergingsmateriale, kan soliede termiese bergingsmateriaal teen hoër temperature werk en meer hitte in dieselfde ruimte stoor, wat 'n vermindering in die hoeveelheid materiaal benodig en 'n afname in algehele koste beteken.

Latente hitte (faseverandering) termiese berging

Faseverandering termiese energiebergingstegnologie maak hoofsaaklik staat op latente hitte as sy hoofvorm van energieberging. Hierdie tegnologie maak gebruik van die absorpsie of vrystelling van groot hoeveelhede latente hitte tydens fase-oorgange na stoorwarmte. Tydens hierdie proses bly die materiaal se temperatuur byna konstant. Hierdie termiese energiebergingstegnologie het aansienlike voordele soos hoë energiedigtheid en klein volume.

Die proses waardeur materie van een toestand na 'n ander transformeer, word 'n fase-oorgang genoem. Tipies vind hierdie oorgang plaas onder isotermiese of naby-isotermiese toestande en gaan dit gepaard met 'n beduidende energieverandering-die absorpsie of vrystelling van 'n groot hoeveelheid hitte. Hierdie energie word gedefinieer as die latente hitte van fase-oorgang. Veral die latente hitte betrokke by die fase-oorgang van die meeste materiale is baie groter as dié van aanvoelbare hitte. Water het byvoorbeeld 'n spesifieke hittekapasiteit van ongeveer 4.2 kJ/kg· graad, en tydens die oorgang van 'n vastestof na 'n vloeibare toestand (ys wat in water smelt), kan water 355 kJ/kg energie absorbeer as latente hitte van fase-oorgang. Daarom, in terme van energiedigtheid, is die gebruik van die latente hitte van fase-oorgang aansienlik beter as metodes wat uitsluitlik op sinvolle hitte staatmaak.

Fase-oorgange van materie sluit hoofsaaklik vier tipes in: vaste-vaste stof, vaste-vloeistof, vaste-gas en vloeibare-gas. Alhoewel vaste-gas- en vloeibare-gas-oorgange hoë latente hittewaardes het, verhoog die beduidende volumeveranderings in hierdie gevalle die moeilikheid van praktiese werking, en beperk dus die toepassing daarvan. Daarteenoor vertoon soliede-vaste fase-oorgange, wat plaasvind wanneer 'n vaste stof van een kristallyne toestand na 'n ander transformeer, kleiner volumeveranderings en laer onderverkoeling, maar die hitte wat vrygestel of geabsorbeer word, is oor die algemeen laer as die ander fase-oorgangsprosesse. In vaste-vloeibare fase-oorgange verander materie van 'n vastestof na 'n vloeibare toestand. Alhoewel hierdie proses 'n spesifieke houer vereis om die vloeistof te hou, is die volumeverandering baie kleiner as in vaste-gas- en vloeibare-gasfase-oorgange, en die latente hitte betrokke is aansienlik hoër as in vaste-vastefase-oorgange. Gegewe hierdie eienskappe, word vaste-vloeistoffase-oorgange tans beskou as die mees praktiese en wyd toepaslike faseverandering-termiese bergingsmetode.

Tans is daar baie soorte materiale wat in faseverandering termiese bergingstegnologie gebruik word, hoofsaaklik verdeel in twee kategorieë gebaseer op hul chemiese samestelling: organies en anorganies. Organiese faseveranderingsmateriale sluit hoofsaaklik stowwe soos paraffienwas, alkohole en vetsure in; terwyl anorganiese faseveranderingsmateriale voorgestel word deur kristallyne gehidreerde soute, gesmelte soute en metale of hul legerings. Oor die algemeen is organiese faseveranderingsmateriale meer geskik vir termiese energieberging in die lae tot medium temperatuurreeks, terwyl anorganiese faseveranderingsmateriale beter termiese energiebergingsprestasie onder medium tot hoë temperatuurtoestande vertoon.

Termochemiese termiese berging

Termochemiese termiese energiebergingstegnologie spog met uiters hoë energiedigtheid per eenheid volume, wat die orde van GJ/m³ bereik. In vergelyking is die energiedigtheid van sinvolle hittebergingsmateriale slegs ongeveer een-tiende, en dié van latente hittebergingsmateriale is slegs die helfte. Verder, deur die reaktante te skei, kan hierdie tegnologie geen-verlies termiese energieberging by kamertemperatuur bereik, en word dus algemeen beskou as een van die mees belowende tegnologieë vir groot-skaalse en lang-termiese energieberging. Gebaseer op die verskillende chemiese bindingsveranderinge betrokke by die energiebergingsproses, kan termochemiese termiese energieberging verder in twee hoofkategorieë verdeel word: chemisorpsie termiese energieberging en chemiese reaksie termiese energieberging.

Chemisorpsie termiese berging is veral geskik vir toepassings in lae-temperatuur omgewings. Dit maak staat op die vorming en breek van fisiese of chemiese intermolekulêre kragte (soos van der Waals-kragte, elektrostatiese kragte en waterstofbindings) tussen vaste adsorbente en gasvormige adsorbate om hitteberging en vrystelling te bewerkstellig. Hierdie tegnologie sluit hoofsaaklik twee kategorieë stelsels in: een is 'n gehidreerde soutstelsel wat waterdamp as die adsorbaat gebruik; die ander is 'n ammoniakkompleksstelsel wat ammoniakmolekules as adsorbaat gebruik. Tabel 1-2 toon die spesifieke tipes, hitteberging/vrystellingstemperature en energiebergingsdigthede van verskeie algemeen gebruikte chemisorpsie-termiese bergingsmateriale.

Tabel 1-2 Eienskappe van algemeen gebruikte chemiese adsorpsie termiese bergingsmateriale:

Chemiese reaksie termiese energieberging word hoofsaaklik toegepas onder medium- en hoë-temperatuurtoestande, en sy stelsels is uiteenlopend, insluitend metaanhervorming, ammoniaksintese en -ontbinding, metaalhidriede, karbonate, metaaloksiede en metaalhidroksiede. Hierdie metodes bereik die berging en vrystelling van termiese energie deur die breek en rekombinasie van chemiese bindings. Hierdie tipe energieberging beskik oor groot reaksiewaardes, hoë energiedigtheid en 'n wye bedryfstemperatuurreeks. In praktiese toepassings bly daar egter uitdagings, insluitend kostebeheer, materiaalkorrosie en gasberging. Daarom is dit nodig om in-diepte navorsing oor die relevante reaksiemeganismes te doen en die prosesvloei te optimaliseer om algehele prestasie te verbeter.

Termochemiese termiese energiebergingstelsels het komplekse strukture en talle hulptoestelle, wat lei tot hoë aanvanklike beleggingskoste. Tans is hul ultra-hoë energiedigtheid per eenheid volume nie ten volle benut nie. Verder, as gevolg van die kompleksiteit van die betrokke chemiese reaksiemeganismes, is presiese beheer van reaksietempo's uitdagend, en sommige reaksieprosesse het streng veiligheidsvereistes, wat die algehele stelseldoeltreffendheid verder verbeter. Daarom is verdere in diepte-navorsing oor termochemiese termiese energiebergingstegnologie nodig om hierdie kwessies aan te spreek.