فن آوری ذخیره سازی حرارت: بهبود بهره وری استفاده جامع از انرژی گرمایی

در حال حاضر، در بسیاری از سیستم‌های مصرف انرژی، بین عدم تطابق عرضه و تقاضای انرژی، تضاد وجود دارد که منجر به مصرف غیر منطقی انرژی و اتلاف زیاد می‌شود. راندمان انرژی مانند انرژی خورشیدی و گرمای اتلاف صنعتی پایین است که نه تنها باعث هدر رفتن منابع می شود، بلکه باعث آلودگی حرارتی غیر قابل اغماض برای محیط جو می شود.

به همین دلیل، بهبود تبدیل و استفاده از انرژی به موضوع اصلی تبدیل شده است که کشورها باید برای اجرای استراتژی‌های توسعه پایدار اولویت‌بندی کنند و توسعه فناوری ذخیره‌سازی گرما برای استفاده همه‌جانبه و موثر از انرژی گرمایی از اهمیت بالایی برخوردار است.

منابع فراوان در دسترس است

انرژی خورشیدی مهمترین منبع انرژی در بین منابع انرژی تجدیدپذیر است."پایان ناپذیر و پایان ناپذیر" و به طور گسترده توزیع شده و بدون آلودگی است. این یک انرژی پاک اقتصادی است. خورشید می تواند انرژی 391×1021 کیلووات در ثانیه آزاد کند. حتی اگر انرژی تابش شده به سطح زمین تنها یک 2.2 میلیاردم آن باشد، معادل 80000 برابر تولید برق جهان' کشور من کشوری نسبتاً غنی از نظر انرژی خورشیدی است. بیش از دو سوم کشور دارای تابش خورشیدی سالانه بیش از 6 GJ·m2 و ساعات آفتابی سالانه بیش از 2200 ساعت است. انرژی تابشی خورشیدی سالانه دریافت شده توسط سطح زمین' در کشور من حدود 50×1019 کیلوژول است که معادل 170 میلیارد تن زغال سنگ استاندارد است. چنین منابع انرژی خورشیدی فراوان همچنین شرایط خوبی را برای توسعه و استفاده کشور من از تولید برق خورشیدی فراهم می کند. گرمای زباله های صنعتی عمدتاً از صنایعی مانند متالورژی، مصالح ساختمانی و مواد شیمیایی ناشی می شود. آمارها در سال 2010 نشان داد که منابع حرارتی زباله های صنعتی تا 67 درصد از کل گرمای سوخت را تشکیل می دهند که از این میان میزان بازیابی به 60 درصد رسیده است. با این حال، میزان استفاده کلی از منابع گرمای زباله در کشور من کم است و میزان استفاده از گرمای زباله در شرکت‌های بزرگ آهن و فولاد حدود 30 درصد است. ~50 درصد

فضای زیادی برای بهبود در میزان استفاده از منابع حرارتی زباله صنعتی در کشور من وجود دارد. به عنوان مثال صنعت متالورژی را در نظر بگیرید. در سال 2010، تولید فولاد خام کشور من 627 میلیون تن بود. انرژی موجود در گاز دودکش تولیدی معادل 30 میلیون تن زغال سنگ استاندارد و میزان سرباره فولاد تولیدی تقریباً 280 میلیون تن و انرژی حرارتی موجود معادل 10 میلیون تن زغال سنگ استاندارد بود. . در حال حاضر میزان استفاده از گرمای پسماند گازهای دودکش در شرکت های آهن و فولاد خانگی حدود 30 درصد و میزان استفاده از گرمای ضایعات آهن و سرباره فولاد تقریباً صفر است. اگر میزان استفاده از گرمای زباله گازهای دودکش را بتوان تا 90 درصد افزایش داد و میزان استفاده از گرمای زباله سرباره فولاد را می توان تا 60 درصد افزایش داد، می توان هر سال 21.6 میلیون تن زغال سنگ استاندارد را ذخیره کرد، انتشار CO2 حدود 50 میلیون کاهش می یابد. تن و 3.3 میلیارد کیلووات ساعت برق تولید می شود.

می توان دریافت که بازیابی گرمای اتلاف یک تقاضای اصلی استراتژی انرژی کشور من'؛ با مزایای اقتصادی غیرقابل اندازه گیری است و برای توسعه اقتصادی و پیشرفت اجتماعی کشورم' اهمیت زیادی دارد. و امنیت ملی انرژی با این حال، چه انرژی خورشیدی و چه منابع حرارتی زباله صنعتی، مشکلات متناوب و ناپایداری وجود دارد که به طور جدی مانع ترویج و به کارگیری فناوری های مرتبط می شود.

نیاز فوری به فناوری ذخیره سازی گرمای نهان در دمای متوسط ​​و بالا

استفاده از فناوری ذخیره‌سازی گرما می‌تواند تضاد بین عرضه و تقاضای انرژی حرارتی را از نظر زمان، شدت و مکان کاهش دهد و وسیله‌ای مهم برای عملکرد بهینه سیستم‌های انرژی حرارتی است. ذخيره گرما عمدتاً شامل سه شكل ذخيره حرارت محسوس، ذخيره گرماي نهان و ذخيره گرماي واكنش شيميايي است.

ذخیره حرارت واکنش شیمیایی به دلیل سیستم پیچیده، دشواری فنی و عملکرد ضعیف هنوز در مرحله تحقیقات تجربی است. اگرچه فناوری ذخیره سازی حرارت معقول به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، ذخیره گرما به دلیل چگالی ذخیره حرارت کم در واحد حجم مواد ذخیره سازی گرما ایجاد می شود. مقدار زیاد مواد باعث می شود سیستم ذخیره سازی حرارت با ظرفیت بالا حجیم، در فرآیند پیچیده و هزینه بالا باشد. .

ذخیره گرمای نهان استفاده از گرمای نهان آزاد شده یا جذب شده توسط فرآیند تغییر فاز مواد ذخیره‌سازی گرما برای ذخیره و آزادسازی گرما است. در مقایسه با فناوری ذخیره سازی حرارت محسوس، ذخیره گرمای نهان دارای مزیت چگالی ذخیره گرمای زیاد در واحد حجم است و دارای جذب و آزادسازی انرژی بیشتری در محدوده دمای انتقال فاز است و محدوده دمای ذخیره و انتشار باریک است که مفید است. برای شارژ و رها کردن دمای فرآیند حرارتی پایدار است.

به منظور بهبود راندمان تبدیل انرژی و کاهش هزینه ها، فناوری استفاده از حرارت خورشیدی به سمت دمای عملیاتی بالاتر حرکت می کند. دمای عملیاتی تولید برق حرارتی از 600 درجه سانتیگراد فراتر رفته است و دمای مقدار زیادی گرمای زباله صنعتی نیز بسیار بالا است (به عنوان مثال دمای گاز دودکش مبدل 1600 درجه سانتیگراد است).

همه اینها نیاز فوری به تحقیق و توسعه فناوری های ذخیره گرمای نهان در دمای متوسط ​​و بالا دارند. اگرچه بسیاری از محققان در داخل و خارج از کشور تحقیقاتی را در سطوح مختلف مانند مواد و فرآیندها برای مدت طولانی انجام داده‌اند، اما تاکنون، هنوز هیچ سیستم ذخیره‌سازی گرمای نهان در دمای متوسط ​​و بالا وجود ندارد که به طور پایدار عمل کند.

پس از سال‌ها تحقیق عمیق در این زمینه توسط بسیاری از واحدهای تحقیقاتی داخلی و خارجی، همراه با وضعیت فعلی و روند توسعه فناوری داخلی و خارجی، اعتقاد بر این است که فناوری ذخیره‌سازی گرمای نهان در دمای متوسط ​​و بالا عمدتاً با موارد زیر روبرو است. مشکلات برجسته

اول، کمبود مواد ذخیره‌سازی گرمای نهان در دمای متوسط ​​و بالا با ویژگی‌های جامعی مانند چگالی ذخیره‌سازی حرارت بالا و هدایت حرارتی قوی وجود دارد. اساس فناوری ذخیره سازی گرمای نهان، مواد تغییر فاز هستند. در حال حاضر تحقیقات بر روی مواد ذخیره حرارت با دمای پایین (& lt;100°C) بر پایه موم پارافین و نمک هیدراته گسترده بوده و در زمینه های ساختمانی و پوشاک نیز کاربرد دارد. با این حال، مواد ذخیره‌سازی حرارتی با دمای متوسط ​​و بالا، به‌ویژه مواد ذخیره‌سازی حرارتی تغییر فاز با دمای بالا با نقطه ذوب>؛ 600 درجه سانتی‌گراد، هنوز وجود ندارند.

ثانیاً، مواد ذخیره‌سازی حرارت تغییر فاز متوسط ​​و بالا عمدتاً نمک‌ها و آلیاژهای معدنی هستند. از یک طرف، انتخاب مواد کاندید نیاز به درک عمیق ترمودینامیک و مکانیسم‌های جنبشی فرآیند انتقال فاز ماده دارد. از سوی دیگر، لازم است تأثیر ریزساختار بر خواص حرارتی مواد از دو جنبه آشکار شود: انتقال حرارت افزایش یافته و ذخیره گرما کارآمد.

علاوه بر این، محصور کردن مواد تغییر فاز مایع-جامد و زوال خواص حرارتی در طول فرآیند سرویس نیز از محتویات ضروری در تحقیقات مواد تغییر فاز با دمای متوسط ​​و بالا هستند. این اغلب یک مشکل گلوگاه در تحقیق و توسعه چنین موادی است. مواد ذخیره سازی حرارتی با کارایی بالا باید توسعه یابد

بسیاری از دانشمندان در داخل و خارج از کشور فلزات را به عنوان مواد ذخیره حرارت مورد مطالعه قرار داده اند. در سال 1980، Birchenall et al. خواص ترموفیزیکی آلیاژهای دوتایی و سه تایی متشکل از Al، Cu، Mg، Si و Zn را که در زمین به وفور یافت می شوند، اندازه گیری و تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که دمای انتقال فاز در محدوده 780 تا 850 کلوین و غنی از Si است. یا آلیاژهای Al بالاترین چگالی ذخیره گرما را دارند و سپس مواد ذخیره سازی حرارتی تغییر فاز آلیاژ آلومینیوم و مبتنی بر سیلیکون به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

مواد نمک معدنی دارای طیف گسترده ای از منابع، مقادیر آنتالپی تغییر فاز بزرگ و قیمت متوسط ​​هستند و به ویژه برای استفاده به عنوان مواد ذخیره حرارت تغییر فاز با دمای متوسط ​​و بالا مناسب هستند. محققان خواص ترموفیزیکی نمک مذاب با دمای بالاتر از 450 درجه سانتیگراد را مورد مطالعه قرار دادند و کاربرد نمک یوتکتیک معدنی با محدوده دمایی 220 تا 290 درجه سانتیگراد را در زمینه تولید انرژی حرارتی خورشیدی گسترش دادند و آزمایشاتی مانند دیفرانسیل را گذراندند. کالریمتری اسکن روش، خواص ترموفیزیکی نمک مذاب اندازه گیری شد.

علاوه بر این، نرخ تغییر حجم بسیاری از سیستم های نمک مذاب قبل و بعد از تغییر فاز از 10% فراتر می رود. سرعت تغییر حجم بیشتر، حفره‌های موجود در سیستم مواد تغییر فاز نمک مذاب را افزایش می‌دهد، بر میزان ذخیره/رهاسازی گرما تأثیر می‌گذارد و ذخیره گرما را افزایش می‌دهد. دشواری طراحی تجهیزات سیستم باعث کاهش راندمان ذخیره گرما می شود. به همین دلیل، محققان سازگاری مواد ذخیره‌سازی حرارتی تغییر فاز نمک مذاب را با فولاد ضد زنگ بررسی کرده‌اند و نتایج نشان می‌دهد که فولاد ضد زنگ اثر ضد خوردگی خوبی بر اکثر نمک‌های مذاب دارد.

در همان زمان، عملکرد چرخه مواد تغییر فاز آلیاژ سه تایی مبتنی بر آلومینیوم و سازگاری با ظروف. سازگاری نمک های مذاب فلوراید با فولادهای آلیاژی کبالت، نیکل و فلز نسوز. سازگاری هیدروکسید لیتیوم با مواد آلیاژی ساختاری از جنبه های دیگر، دانشمندان نیز تحقیقاتی را انجام داده اند.

اگرچه نتایجی در تحقیقات مواد ذخیره حرارت تغییر فاز با دمای متوسط ​​و بالا به دست آمده است، هزینه مواد تغییر فاز فلزی و آلیاژی بالا بوده و چگالی ذخیره حرارت در واحد جرم محدود است. علاوه بر این، فعالیت شیمیایی مواد تغییر فاز آلیاژ فلزی پس از تغییر فاز قوی تر است. ، خوردگی شدید در دمای بالا کاربرد گسترده آن را در زمینه ذخیره سازی حرارت در دمای متوسط ​​و بالا بسیار محدود می کند.

نمک مذاب به عنوان یک ماده ذخیره حرارت تغییر فاز، آنتالپی تغییر فاز بزرگ، چگالی ذخیره حرارت بالا و قیمت متوسطی دارد. این پتانسیل توسعه زیادی در زمینه کاربردهای ذخیره حرارت در دمای متوسط ​​و بالا دارد. با این حال، نمک مذاب رسانایی حرارتی ضعیفی دارد و با مواد تغییر فاز آلیاژ فلزی دارای مشکلات جدی خوردگی در دمای بالا است، که هنوز مشکلی است که کاربرد مقیاس آن را محدود می‌کند.

بنابراین، توسعه مواد ذخیره‌سازی حرارتی با کارایی بالا و روش‌های آماده‌سازی آنها یک روند اجتناب‌ناپذیر در تحقیق مواد ذخیره‌سازی حرارتی با دمای متوسط ​​و بالا و راهی اجتناب‌ناپذیر برای توسعه فناوری ذخیره‌سازی حرارت است.

پراکندگی انرژی خورشیدی، گرمای زباله صنعتی، بازه انرژی زیاد و ماهیت متناوب انرژی های تجدیدپذیر، همگی نیازمند فناوری ذخیره سازی حرارت تغییر فاز متوسط ​​و بالا هستند.

تحقیق در مورد فناوری ذخیره سازی گرما در مقیاس بزرگ شامل تلاقی علم مواد، مهندسی شیمی، مهندسی مکانیک، انتقال گرما و جرم و جریان چند فازی است.

توسعه مواد ذخیره‌سازی حرارتی با عملکرد بالا و تغییر فاز دمای بالا در زمینه ذخیره‌سازی حرارت متوسط ​​و بالا، به‌ویژه تولید انرژی حرارتی خورشیدی، بازیافت حرارت زباله‌های صنعتی و سایر زمینه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است.