Накопитель тепла: Накопитель тепла в системе отопления – как работает, какие дает преимущества?

Содержание

Теплоаккумулятор в наличии для котлов отопления российского производства

Описание

Теплоаккумулятор (второе название — буферная емкость) представляет собой теплоизолированный герметичный резервуар, работающий под давлением системы отопления.

Водяной теплоаккумулятор для отопления применяется в системах с твердотопливными и электрическими котлами для повышения удобства использования, эффективности и безопасности работы системы. Наиболее часто теплоаккумуляторы используются в частных загородных домах и на предприятиях, которые стремятся повысить свою энергоэффективность.

Достоинства при использовании в частных домах

Котел достаточно топить один раз в сутки Аккумулятор тепла значительно увеличивает объем системы отопления, что позволяет топить котел один раз в сутки, в сильные морозы – два раза в сутки.

В доме всегда тепло, даже утром Накопленное тепло равномерно в течение суток поступает из теплового аккумулятора в систему отопления. Используя теплоаккумулятор для отопления из нержавейки или конструкционной стали можно избежать таких сомнительных ухищрений, как прикрывание заслонки котла для увеличения времени горения, что категорически вредно для котла и снижает его срок службы из-за закоксовывания теплообменника, дымохода и образования разъедающего котел конденсата.

Котел максимально эффективен и экономичен Благодаря теплоаккумулятору, твердотопливный котел всегда работает в полную мощность, топливо полностью прогорает. Это повышает КПД котла до 80% и снижает количество потребляемого топлива на 40%, также предотвращает образование конденсата и закоксовывание теплообменника котла и дымохода, что положительно сказывается на их долговечности.

Безопасность и защита системы от перегревания На территории ЕС законодательно запрещена установка твердотопливных котлов без теплоаккумуляторов по соображениям экологичности и безопасности. Это связано с тем, что, если в системе отопления не установлен теплоаккумулятор, в случае отключения электричества и остановки циркуляционного насоса, высока вероятность перегревания и закипания котла. В худшем случае возможен даже взрыв котла – со всеми сопутствующими последствиями. Если же в системе установлен теплоаккумулятор, то при отключении электричества и прекращении циркуляции теплоносителя теплоаккумулятор аккумулирует избыток тепловой энергии и предотвращает возникновение негативных последствий перегревания системы.

Преимущества использования на предприятиях

Использование теплоаккумулятора на предприятии, позволяет задействовать невостребованные источники тепловой энергии для нужд отопления помещений. Среди таких источников: техническая горячая вода от технологических процессов, тепловая энергия, вырабатываемая в процессе работы систем кондиционирования и охлаждения и т.д.

Применение теплоаккумулятора в системах с электрическим котлом позволяет использовать двухтарифную систему расчета стоимости электроэнергии.

В этом случае электрический котел работает по льготному тарифу в ночное время, а теплоаккумулятор для отопления накапливает тепловую энергию, возвращая ее в систему уже в рабочее время, когда электроэнергия значительно дороже.

Если вы хотите купить теплоаккумулятор для котлов отопления российского производства Electrotherm, обратитесь к нашим консультантам или напишите на адрес [email protected]

Теплоаккумулятор Electrotherm 2000 B (на 2000 литров / 2 куба)

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали с покрытием

Толщина стали от 3 мм, внутреннее покрытие состоит из керамики с особыми компонентами. Покрытие надежно защищает внутренний бак от коррозии и устойчиво к деформации. Теплоаккумуляторы с покрытием используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т.п.) и воды для технических нужд, что подтверждается соответствующим экспертным заключением.

Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты бака от агрессивного воздействия окружающей среды и от внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.

Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали без покрытия

Толщина стали от 3 мм, емкости с баком из конструкционной стали применяются в замкнутых системах отопления в качестве теплоаккумулятора (буферной емкости) и в системах вентиляции в качестве холодоаккумулятора. Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты от внешнего воздействия коррозии, и внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.

Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из нержавеющей стали

Теплоаккумуляторы из нержавеющей стали используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т.п.) и воды для технических нужд. Для изготовления применяется нержавеющая сталь европейского производства (Франция, Финляндия) марки AISI 321 с добавлением титана т.к. она обладает лучшими антикоррозионными свойствами, чем традиционно применяемые стали AISI 304 и AISI 304L.

Почему важна страна производства стали: свойства нержавеющей стали определяет содержание в ней легирующих добавок (по большей части хрома и никеля), которые и придают стали антикоррозионные свойства. В европейской стали содержание легирующих добавок выше, и сталь обладает более сильными антикоррозионными свойствами, в сравнении с некоторыми видами российской стали, где для удешевления используется минимальное количество легирующих добавок на нижней границе стандарта.

Теплоаккумуляторы всех типов проходят испытания избыточным давлением

Испытания проходит каждый произведенный теплоаккумулятор. Испытательное давление составляет до х2 от номинального рабочего давления. Это значит, что теплоаккумуляторы с рабочим давлением 3 бар испытывают под давлением 6 бар, что подтверждает исключительную надежность и качество оборудования

Высокая надежность теплоаккумуляторов Electrotherm обусловлена тщательным выбором материалов и использованием сварочного оборудования и оригинальных присадочных материалов ведущих европейских концернов.

Узнать больше о достоинствах продукции Electrotherm, Вы можете здесь ›.

Теплоаккумулятор Electrotherm 3000 B (на 3000 литров / 3 куба)

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали с покрытием

Толщина стали от 3 мм, внутреннее покрытие состоит из керамики с особыми компонентами. Покрытие надежно защищает внутренний бак от коррозии и устойчиво к деформации. Теплоаккумуляторы с покрытием используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т.п.) и воды для технических нужд, что подтверждается соответствующим экспертным заключением.

Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты бака от агрессивного воздействия окружающей среды и от внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.

Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали без покрытия

Толщина стали от 3 мм, емкости с баком из конструкционной стали применяются в замкнутых системах отопления в качестве теплоаккумулятора (буферной емкости) и в системах вентиляции в качестве холодоаккумулятора. Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты от внешнего воздействия коррозии, и внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.

Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из нержавеющей стали

Теплоаккумуляторы из нержавеющей стали используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т.п.) и воды для технических нужд. Для изготовления применяется нержавеющая сталь европейского производства (Франция, Финляндия) марки AISI 321 с добавлением титана т.к. она обладает лучшими антикоррозионными свойствами, чем традиционно применяемые стали AISI 304 и AISI 304L.

Почему важна страна производства стали: свойства нержавеющей стали определяет содержание в ней легирующих добавок (по большей части хрома и никеля), которые и придают стали антикоррозионные свойства. В европейской стали содержание легирующих добавок выше, и сталь обладает более сильными антикоррозионными свойствами, в сравнении с некоторыми видами российской стали, где для удешевления используется минимальное количество легирующих добавок на нижней границе стандарта.

Теплоаккумуляторы всех типов проходят испытания избыточным давлением

Испытания проходит каждый произведенный теплоаккумулятор. Испытательное давление составляет до х2 от номинального рабочего давления. Это значит, что теплоаккумуляторы с рабочим давлением 3 бар испытывают под давлением 6 бар, что подтверждает исключительную надежность и качество оборудования

Высокая надежность теплоаккумуляторов Electrotherm обусловлена тщательным выбором материалов и использованием сварочного оборудования и оригинальных присадочных материалов ведущих европейских концернов.

Узнать больше о достоинствах продукции Electrotherm, Вы можете здесь ›.

Каталог буферных емкостей,теплоаккумуляторов и теплонакопителей

Купить буферную емкость котла системы отопления. теплоаккумуляторы для твердотопливного котла.


Какие функции выполняет теплоаккумулятор в отопительной системе? Зачем нужна буферная емкость? Как рассчитать и выбрать теплонакопитель для твердотопливного котла, и системы отопления в целом?
На все эти вопросы мы постараемся вам ответить правдиво и максимально доступно, да для неподготовленного покупателя.

Как выбрать и подобрать буферную емкость (теплоаккумуляитор) к котлу и параметрам отопительной системы.

Многие покупатели думают, что буферная емкость необходима только для того, чтобы принимать невостребованное тепло от твердотопливного котла для его сохранения, и последующей отдачи в систему отопления. Но у теплоаккумуляторов есть не менее важное предназначение, а именно выравнивание температурного режима теплоносителя, выходящего от котла отопления. Это особенно важно, если теплогенератор имеет заведомо бОльшую мощность, чем реальное теплопотери дома и потребности в компенсации тепла через радиаторы.                      

Теплоаккумулятор для электрического котла.

Буферная емкость, работающая в паре с электрическим котлом отопления прекрасно дополняют друг друга, но при условии, если у вас есть тариф электроэнергии действительно очень дешевый. Именно в эти, как правило, ночные часы, тепло от электрокотла загружает теплоаккумяторов для следующих достижения следующих целей:
— увеличить временной промежуток между загрузкой топлива в основной твердотопливный котел. Особенно это важно в ночное время. если котел не длительного горения, а прогорает за 3-4 часа. С электрической энергией у вас будет совершенно спокойный сон, так как подкидывать уголь ночью не потребуется даже в самые холодные ночи.
— даже если взятое от электрокотла тепло не потребовалось в полном объема в ночное время, оно будет передано в отопительную систему днем, и никуда не пропадет, а просто отложит запуск осиного теплогенератора.
* Важно добавить, что практически все буферные накопители имеют в своей линейке модели оборудованные техническими отверстиями для установки электрических ТЭНов различной мощности (от 2 кВт до 48 кВт) сразу в буфер. Это очень удобное решение, так как вы сразу экономите деньги на электрическом котле, циркуляционном насосе, и трубах, автоматике.  Электрическое тепла сразу остаётся в баке без теплопотерь.

Буферная емкость для газового или дизельного котла отопления.

Для котлов, которые не имеют инертности по прогоранию топлива, таких как газовый, дизельный, котел на отработанном масле, буферная емкость не требуется. Стоимость энергоносителя никак не зависит от времени суток, и никакой экономии с теплоаккумулятором вы в итоге не получите. Напольные газовые котлы, и котлы с надувной горелкой оборудованы современной автоматикой, и отключатся «без выбега» по команде термостата. Избыточного, невостребованного тепла они не вырабатывают, а значит и сохранить в итоге ничего не требуется.

Тепловой аккумулятор – зачем нужен отопительной системе

Тепловой аккумулятор, узаконенный законодательством ряда стран, продолжает оставаться диковинкой в России. Правда, эксперты отопительной отрасли, реабилитируя местный тренд, констатируют: последние годы популярность буферной емкости заметно подросла.

Как он работает

Теплоаккумулятор подобен электрическому собрату – перехватывает излишки тепла, генерируемые источником, чтобы возвратить калории после остановки источника. Понятно, использовать тепловую буферную емкость рационально с периодически действующими котлами, колонками, другими теплогенерирующими устройствами. Среди таковых:
— большинство твердотопливных котлов, столь любимых россиянами, частью зарубежных обывателей;

— все солнечные коллекторы, стремительно распространяющиеся по югу РФ.

Небольшое пояснение: угольный, древесный котел греет, пока горит, а солнечный бесполезен ночью.

Электрические котлы, аккумуляторы тепла, подчеркивают эксперты, становятся привлекательней на фоне дифференцированных посуточно тарифов энергетиков. Накапливать тепло выгодней ночью при дешевом тарифе. Двукратная разница ценника, например, сулит существенную экономию бюджета – владелец может запрограммировать электрокотел исключительно на ночное электропотребление.

Несколько котлов – один теплоаккумулятор

Подобная схема, объединяющая линейку источников тепла, весьма выгодна. Например, владелец, задумав удешевить теплогенерирующий цикл, применяет твердотопливный котел, работающий ночью, а дневная выработка тепла поддерживается солнечными батареями.

Программируя тандем на минимизацию затрат, можно сэкономить деньги, переключая «автоматом» систему отопления с одного источника на другой. Единственное замечание РЕГЛВЕНТ: выбирая аккумулятор, следует подобрать гаджет, обладающий нужным функционалом.

Эксперты обращают внимание: отечественные производителю, чувствующие сигналы рынка, уже выпускают теплоаккумуляторы под местные климатические особенности, технические нюансы.

«Теплобуферная емкость – твердотопливный котел»

Россияне предпочитают сочетать теплоаккумуляторы с угольными, древесными котлами. Для таких систем выгодный режим – полное энергичное выгорание топлива, дающее максимальную выработку тепла. Медленное горение чревато образованием вредных газов, веществ, засоряющих дымоходы, теплообменники. Экономические показатели медленного горения также ниже.

Понятно, подобный режим приносит максимум тепла за минимум времени – затем котел гаснет, температура дома падает. Конечно, можно подсыпать угля, подложить дровец, а нагнав температуру, отрегулировать комфорт форточкой. Эффективнее все-таки приобрести аккумулятор тепла, утилизирующий избытки калорий.

Модернизированная система отопления выглядит так: имеется котел, тепловой контур системы, проходящий через буферную емкость. На максимальной теплопроизводительности аккумулятор отбирает часть тепла. После выгорания топлива датчики, фиксирующие температуру домашнего воздуха, подают сигнал, включающий циркуляционный насос. Последний инициирует переток горячего теплоносителя из аккумулятора в отопительную систему.

Повысившаяся температура воздуха через датчики останавливает насос, прекращая теплоотдачу аккумулятором. Температура теплоносителя «буфера» несколько снижается. Российские производители применяют высококлассную теплоизоляцию баков аккумуляторов – вода буферных емкостей остывает медленно. Описанный цикл будет реализовываться автоматикой до полного выравнивания температур теплоносителя системы «отопление – теплоаккумулятор».

Новости рынка

Недавно шведские ученые, занимающиеся разработкой эффективных аккумуляторов тепла, совершили прорывное открытие – разработали технологию молекулярной консервации тепла. Основа новинки – вещество, содержащее водород, углерод, азот. Уникальная структура, поглощая фотоны, меняет взаимное положение молекул исходника, запасая энергию. Возникший изомер хранить тепло пару десятков лет.

Вещество – жидкое, хранится при комнатной температуре. Энергия выделяется, когда изомер пропускают через катализатор. Возвращая исходное состояние, изомер разогревается до 80°, если изначальная температура была 20°.

«Зеленое отопление», пояснили шведы, реализуется тандемом «солнечные панели – новое вещество». Основная часть калорий запасается жарким летом, расходоваться тепловыделяющий потенциал будет зимой.

Единственный минус – жидкость реализована, как компьютерная модель. Промышленная установка синтеза вещества – вопрос десяти лет. Пока ученые пытаются довести температуру теплогенерации до 110°, попутно снижая горючесть.

Опередили шведов американцы МТИ, создавшие вещество, напоминающее пластик, и двухсоткратнопревосходящее теплоемкостью воду. Новинка тоже меняет конфигурацию молекулярной решетки, запасая тепло. Назвали аккумулирующее средство AzoPMA, зафиксировав сокращением присутствие азобензола. Возвращение тепла инициируется световым воздействием. Время «консервации калорий» американцы не огласили, ограничившись фразой: «очень долго хранит тепло». Американским «пластиком» можно покрывать крыши коттеджей, шоссейные дороги.

Продолжение

Новый накопитель тепла на основе парафинов позволит сократить потребление энергии в жилых домах

  • Автор: Елена
  • 29.09.2014, 10:51

Тепловое аккумулирование энергии является общей стратегией повышения энергоэффективности на производствах, путем сокращения потребления энергии в часы пиковых нагрузок. Но накопители тепловой энергии могут оказаться полезными и в жилом секторе, где тепло и электроэнергия генерируются одновременно (например, от крышной солнечной установки), но могут быть использованы в разные временные промежутки.

Для хранения тепла традиционно используются резервуары с водой. Водяные системы хранения тепловой энергии достаточно эффективны и недороги. Но для достижения значительной аккумуляции тепла необходимы большие по объему резервуары, что ограничивает интеграцию таких систем в жилые дома, не обладающих дополнительным пространством для их установки. А недавно исследовательская группа ENEDI, образованная университетом страны Басков (UPV/EHU), Испания, разработала прототип накопителя тепловой энергии, который занимает на 50% меньше места, чем водяная система хранения тепловой энергии. Он имеет призматическую форму и легко интегрируется в здания, предлагая оптимальное использование пространства. Более того, благодаря модульности конструкции, дизайн накопителя может быть легко изменен.

Новая система основана на использовании материалов с фазовым переходом, известных как PCM, которые используют тепло для перехода из одного фазового состояния в другое. При этом они аккумулируют большое количество энергии. Прототип использует коммерческий парафин, который тает в пределах 60 ° С. Этот материал очень стабилен и имеет длительный срок службы, отмечают исследователи.

Парафин инкапсулирован в алюминиевые пластины. В накопителе между этими пластинами располагаются узкие каналы, по которым циркулирует жидкость (вода). При прохождении по каналам горячей воды парафин тает, аккумулируя тепловую энергию. А когда по каналам течет холодная вода, парафин затвердевает, отдавая тепло.

Одним из весомых преимуществ данной системы является ее компактность. Накопители настолько тонкие, что их можно установить в любом месте в комнате, даже внутри подвесного потолка.

В настоящее время исследователи строят полномасштабный прототип системы, который будет интегрирован в экспериментальный объект в лаборатории по контролю качества строительства (LCCE) для изучения эффективности устройства в реальных рабочих условиях.

Подписывайтесь на канал «Взавтра.Net» в Яндекс Дзен,
чтобы узнавать о новостях первыми.

Понравилась новость, поделись ей с друзьями:

накопитель остаточного тепла | BMW Club

Накопитель остаточного тепла (LWS) дает возможность быстрого обогрева салона или двигателя с помощью специального теплового аккумулятора и дополнительной водяной помпы большего размера.

Он автоматически включается при повороте ключа зажигания в положение 1 и заполняется охлаждающей жидкостью, нагретой двигателем, при этом процесс активизации клапанов зависит от следующих режимов:

Рабочие режимы накопителя остаточного тепла:

Накопитель остаточного тепла выключен:
При отсутствии необходимости обогрева салона или температуре двигателя < 45 o C и температуре LWS < 30 o C происходит выключение накопителя остаточного тепла. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).

Обогрев салона теплом двигателя:
При остановленном двигателе, температуре двигателя > 45 o C и продолжительности такта водяных клапанов > 0% происходит обогрев салона теплом двигателя. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).
При работающем двигателе и температуре LWS ниже температуры двигателя и при температуре двигателя ниже 70 o C происходит обогрев салона теплом двигателя. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).

Обогрев салона накопителем остаточного тепла:
при температуре LWS > 30 o C, температуре двигателя < 45 o C и продолжительности такта водяных клапанов > 0% происходит обогрев салона накопителем остаточного тепла. Переключающий и запорный клапаны закрыты (оба запитаны).

Обогрев двигателя накопителем остаточного тепла:
При температуре LWS > 30 o C, температуре двигателя ниже температуры LWS и продолжительности такта водяных клапанов = 0% происходит обогрев двигателя накопителем остаточного тепла. Переключающий и запорный клапаны открыты (оба обесточены).

Обогрев накопителя остаточного тепла двигателем:
При температуре двигателя > 70 o C, температуре LWS ниже температуры двигателя и продолжительности такта водяных клапанов = 0% происходит обогрев накопителя остаточного тепла двигателем. Переключающий и запорный клапаны открыты (оба обесточены).
При продолжительности такта водяных клапанов > 0% переключающий клапан открыт (обесточен), а запорный клапан закрыт (запитан).

Включение дополнительной водяной помпы в режиме работы накопителя остаточного тепла происходит:

При положении 0 ключа зажигания (автономная вентиляция/ режим использования остаточного тепла), при положении 1 или 2 и продолжительности такта водяных клапанов слева или справа > 0%

При активизированном режиме обогрева LWS

Выключение дополнительной водяной помпы в режиме работы накопителя остаточного тепла происходит:

Положение ключа зажигания 0

При продолжительности такта водяных клапанов слева или справа = 0%

При температуре LWS > 85 o C

Достали Вы уже — ухожу в оппозицию.

 

Последние достижения в области аккумулирования тепловой энергии

По мере того, как возобновляемые источники энергии все больше укрепляются в энергетической системе, важность хранения энергии в натуральном выражении будет возрастать. В связи с продолжающимся постепенным отходом от традиционных источников энергии базовой нагрузки разработка эффективных систем хранения энергии является обязательной.

Нравится вам это или нет, но структура энергетики США меняется. По данным Управления энергетической информации, с 2015 по 2016 год производство ископаемого топлива в США упало на 7%.Уголь, в частности, упал на 18%, достигнув самого низкого уровня с 1978 года. Даже объем природного газа, который в последние годы резко вырос из-за сланцевого бума, упал на 2% с 2015 по 2016 год.

Производство возобновляемой энергии, с другой стороны, увеличилось за этот период на 7%, причем почти четверть этого скачка приходится на ветровую и солнечную энергию.

Проблема с этим сдвигом, конечно, заключается в потере генерации энергии базовой нагрузки. Нации нужно электричество 24 часа в сутки, а не только когда светит солнце и дует ветер.К счастью, ответ на эту проблему известен. Возобновляемые источники энергии должны сочетаться с некоторыми формами хранения энергии, такими как батареи, гидроаккумуляторы или накопители тепловой энергии (TES, рисунок 1).

1. Времена меняются. По мере того, как в структуре энергетики США происходит отход от традиционных форм генерации с базовой нагрузкой, накопление тепловой энергии дает возможность возобновляемым источникам энергии заполнить образовавшуюся пустоту. Предоставлено: SolarReserve

На первый взгляд, идея TES довольно проста.Энергия сохраняется в виде тепла в той или иной форме для использования в будущем. Однако, если углубиться в варианты и приложения для TES, можно увидеть гораздо более сложную картину.

Накопитель тепловой энергии 101

Существует три основных типа систем TES, только один из которых имеет значительную коммерческую доступность в энергетическом секторе. По сравнению с другими вариантами, накопление явного тепла относительно недорогое и намного менее сложное. Скрытые системы хранения энергии и термохимические системы хранения являются дорогостоящими и пока еще в значительной степени экспериментальными.

Явное аккумулирование тепла. Наиболее широко используемая форма TES в секторе производства энергии — это физическое накопление тепла. В системе TES явного тепла жидкий или твердый накопитель, такой как вода, расплавленные соли, песок или камни, нагревается или охлаждается для накопления энергии.

Явное аккумулирование тепла широко используется в приложениях для концентрированной солнечной энергии (CSP), где использование TES позволяет проекту производить электроэнергию достаточно долго после захода солнца (см. «Проект солнечной энергии Crescent Dunes, Тонопа, Невада» в POWER’s Выпуск декабрь 2016 г.).Обычно предпочтительной средой для установок CSP с TES являются расплавленные соли, которые могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры.

Существует множество различных систем CSP, каждая из которых предъявляет уникальные требования к хранению энергии. В то время как прямая система TES с использованием расплавленных солей является жизнеспособной для системы опорной башни, подобной той, что используется в проекте Crescent Dunes (рис. 2), для проекта параболического желоба, вероятно, потребуется немного другая система TES. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), почти все новые действующие или строящиеся станции CSP оснащены системой TES.

2. Явное аккумулирование тепла в действии. В проекте Crescent Dunes компании SolarReserve в Неваде используется физический накопитель тепла для хранения до 10 часов энергии. Расплав соли, используемый в процессе хранения, хранится в двух больших резервуарах в центре солнечного поля. Предоставлено: SolarReserve

Скрытое аккумулирование тепла. Скрытое накопление тепла не так широко используется в секторе производства энергии, но недавние разработки показали многообещающие результаты в некоторых приложениях.Скрытая аккумуляция тепла зависит от состояния среды хранения, например, от твердого до жидкого. Скрытые теплоносители часто называют материалами с фазовым переходом (PCM).

Хотя явное тепло является наименее дорогим вариантом TES, PCM предлагают преимущества, к которым стоит стремиться, если можно снизить затраты. Например, для хранения явного тепла требуются очень большие объемы носителя из-за низкой плотности энергии. PCM предлагают плотность энергии примерно в три раза больше.

Термохимический склад. Как следует из названия, термохимическое хранилище (TCS) использует химические реакции для хранения энергии. Системы TCS предлагают даже большую плотность энергии, чем PCM.

Практически все, что связано с TCS, стоит дорого. Например, IRENA указывает в кратком техническом описании, что стоимость оборудования термохимического реактора намного выше, чем стоимость материала для хранения, что не означает, что стоимость материала незначительна.

Применения в концентрированной солнечной энергии

CSP пришлось нелегко, поскольку его родственная технология, фотоэлектрическая (PV) солнечная энергия, переживала несколько хороших лет роста.По данным Ассоциации производителей солнечной энергии, рынок фотоэлектрических элементов вырос на 97% с 2015 по 2016 год, так как цены на фотоэлектрические панели упали почти на 20%. CSP, с другой стороны, не смог угнаться за снижением стоимости PV.

Чтобы оставаться конкурентоспособными с PV, CSP должен предложить что-то уникальное, и это было сделано в форме TES. «Для развития любой из этих технологий CSP требуется накопление тепла», — сказал в интервью POWER Ануп Матур, технический директор и основатель Terrafore Technologies.

Использование TES в CSP позволяет технологии когда-нибудь удерживать больший процент в структуре энергопотребления, поскольку фотоэлектрическая энергия и ветер в настоящее время не подходят для использования в качестве источников генерации базовой нагрузки. С TES завод CSP может работать 24 часа в сутки, что компания SolarReserve доказала своим проектом Crescent Dunes в Неваде.

Проект Crescent Dunes — это установка мощностью 110 МВт, расположенная в трех часах езды от Лас-Вегаса. Станция может похвастаться накопителем энергии на 1100 МВтч, который может обеспечить 10 часов электроэнергии при полной нагрузке.В пиковую нагрузку электростанция обеспечивает электроэнергией 75 000 домов.

Энергетическая башня из расплавленной соли проекта расположена в центре массивного поля зеркал или гелиостатов, направляющих свет на вершину башни (рис. 3). Как сообщил POWER генеральный директор SolarReserve Кевин Смит, зеркала нагревают накопитель энергии напрямую, что делает процесс более эффективным, чем другие системы, которые «подключаются» к накопителю энергии. «Я думаю, что в мире солнечного тепла считают, что конфигурация градирни с расплавленной солью является наиболее эффективным и экономичным хранилищем тепла для крупных предприятий.«Собранное тепло используется для производства пара, который, в свою очередь, приводит в действие турбогенератор.

3. Зеркало . Солнечный приемник Crescent Dunes расположен в центре массивного поля гелиостатов. Расплавленная соль нагнетается в башню, где направленное тепло повышает ее температуру примерно до 1050 ° C. Предоставлено: SolarReserve

Процесс SolarReserve закачивает расплавленную соль на верхнюю часть башни, где он нагревается, в полной мере используя уникальные свойства солей.Расплавленные соли, используемые SolarReserve, остаются твердыми до тех пор, пока они не нагреются до температуры около 450F, но когда они переходят в жидкую форму, они остаются в этом состоянии при температурах до 1050F. «Холодные» соли SolarReserve поддерживаются при температуре от 500 до 550 ° F, что означает, что система TES компании имеет рабочий диапазон около 500 градусов.

Напротив, параболический желоб CSP выделяет тепло промежуточной жидкости, которая, в свою очередь, нагревает расплавленную соль. «Сложность этой технологии заключается в том, что [жидкость], которая используется для теплопередачи … имеет максимальную температуру, может быть, 700F или 750F.Таким образом, они работают в диапазоне от 550 ° F до 700 ° F или 750 ° F, что составляет всего лишь около 200 градусов дельты, тогда как мы можем перенести дельту на 500 градусов в наши расплавленные соли. По сути, это означает, что мы вкладываем больше энергии в каждый фунт расплавленной соли », — сказал Смит. «Это в два или три раза больше энергии, чем хранится в солях».

Благодаря 10-часовому хранению, проект Crescent Dune может производить электричество 24 часа в сутки, хотя обычно он работает только 12–14 часов в сутки. Как правило, электростанция вырабатывает электроэнергию для NV Energy примерно от 10 а.м. до 22:00 (Рисунок 4) просто потому, что для большего этого он не нужен.

4. Освещение ночи. Используя разумные аккумуляторы тепла, проект Crescent Dunes может производить энергию еще долгое время после захода солнца, помогая питать огни Лас-Вегаса . Предоставлено: SolarReserve

«На некоторых рынках, например, в Чили или на других рынках, они действительно хотят, чтобы такой проект выполнялся 24 часа в сутки.У США довольно разнообразное сочетание сил; Есть еще довольно много проектов по сжиганию угля и много ядерных, и эти объекты должны работать 24 часа в сутки », — отметил Смит.

Однако, поскольку структура энергопотребления страны продолжает меняться, SolarReserve прогнозирует, что Crescent Dunes могут работать в течение более длительного периода. «В долгосрочной перспективе большая часть [угля и ядерной энергии] будет выведена из эксплуатации, и, поскольку рынки США изменятся в долгосрочной перспективе, мы можем увидеть, что мы могли бы работать больше 24 часов в сутки.Но на данный момент это скорее периоды пикового спроса: 8, 10, 12, 14 часов в день генерации и, как правило, ближе к вечеру », — сказал Смит.

Последствия для будущего

Хотя явная теплопередача в настоящее время доминирует в области TES, в области PCM и TCS ведется много исследований и разработок. Один из таких проектов, инкапсулированный PCM, разработанный Terrafore Technologies, получил значительную поддержку со стороны Министерства энергетики и, возможно, находится на грани коммерциализации.

Как уже отмечалось, PCM обладают преимуществом перед физическими накопителями тепла из-за их повышенной плотности энергии. Матур сказал, что лучший способ воспользоваться преимуществами PCM — это их инкапсулировать. Однако сделать это — непростая задача.

«Большая проблема инкапсуляции заключается в том, как инкапсулировать твердое тело, которое расширяется почти на 20%?» он сказал. «Это означает, что у вас должна быть капсула, подумайте о шаре, частично заполненном солью, как вы это сделаете? Вы не можете открыть его, заполнить часть и запечатать, потому что запечатывание становится проблемой.”

Ответ, согласно Матуру, — полимеры. «Я думал об этом, мечтал об этом, поэтому я сказал, почему мы не можем положить какой-то полимер поверх моей капсулы, на соль? Затем положите материал оболочки, затем нагрейте его, и тогда полимер исчезнет, ​​оставив после себя пустоту », — объяснил он. «Так что это дает ему объем расширения. Это химический способ создания пустоты внутри оболочки ».

Система

Terrafore является улучшенной по сравнению с традиционной системой явного тепла в том, что для выполнения той же работы требуется меньше материала.Если для системы расплавленной соли, используемой в Crescent Dunes, требуется два больших резервуара, один для «холодной соли» и один для нагретой соли, то для системы Terrafore требуется только один резервуар и меньше материала.

Внутри резервуара складываются три разные соли. Вверху находятся соли с самой высокой температурой плавления, а внизу — соли с самой низкой точкой плавления, а в середине — слой солей со средней точкой плавления. В системе используется теплоноситель, который течет из солнечного ресивера в верхнюю часть резервуара, где затем протекает через сложенный слой капсул, нагревая их, в свою очередь, по мере того, как жидкость медленно остывает.Достигнув дна резервуара, теплоноситель перекачивается обратно в солнечный приемник.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока не потребуется накопленная энергия, после чего жидкий теплоноситель перекачивается из резервуара в силовой блок, где вырабатывается пар для привода турбины.

В поисках подходящего совпадения

Матур не видит, что его процесс PCM будет внедрен в крупномасштабные проекты CSP, такие как Crescent Dunes, в ближайшем будущем, но он надеется, что в какой-то момент он сможет проникнуть в этот сектор.На данный момент он считает, что лучшее место для выхода его технологии на рынок — это распределенный CSP.

Матур полагает, что, работая в шведской компании, он, возможно, нашел подходящую пару. «Они разработали тарельчатую систему Стирлинга, которая может работать при температуре около 800–900 ° C, но работает точно так же, как фотоэлектрическая система — когда солнце светит, она генерирует электричество. Таким образом, они не могут быть конкурентоспособными с фотоэлектрическими батареями, потому что стоимость фотоэлектрических систем настолько низка. Теперь, если они смогут использовать хранилище, они станут конкурентоспособными с точки зрения диспетчеризации », — сказал он.

В настоящее время SolarReserve довольна разработанной технологией. В настоящее время компания разрабатывает ряд проектов по всему миру, основанных на той же технологии, что и в Crescent Dunes. «Основная технология, которой является наша технология приемника, на самом деле не требует значительных изменений, когда мы перемещаемся с места на место, — пояснил Смит.

Однако это не означает, что руководство компании непредвзято. «Мы внимательно следим за другими вариантами хранения тепла и других материалов, которые мы можем использовать, — сказал Смит, — но сейчас мы действительно не видим ничего, что можно было бы сделать в ближайшем будущем на горизонте. коммерческий масштаб.”■

Эбби Л. Харви — репортер POWER.

Накопитель тепла — обзор

Накопитель тепловой энергии для систем CSP

Накопитель тепловой энергии передает тепло носителю хранения во время периода зарядки и высвобождает его на более позднем этапе на этапе разрядки. Его можно успешно применять на солнечных тепловых электростанциях или в промышленных процессах, таких как металлургические преобразования. CSP уникален среди технологий возобновляемых источников энергии, поскольку, несмотря на то, что он изменчив, как солнечные фотоэлектрические и ветровые, его можно легко сочетать с TES, а также с традиционными видами топлива, что делает его очень управляемым.Системы CSP без TES обычно ограничены коэффициентом мощности около 25% из-за суточного солнечного цикла и погоды (Purohit et al., 2016). Коэффициенты мощности для заводов CSP варьируются от 25% до 75%, в зависимости от конструкции и внедрения TES. Нижний предел диапазона коэффициента мощности относится к системам без аккумулирования тепла, а верхний предел — для систем с аккумулированием тепла до 15 часов (ESTELA, 2012). Использование как скрытого, так и явного тепла также возможно при высокой температуре солнечного тепла.Системы CSP могут хранить первичную энергию в теплонакопительных средах, таких как бетон, расплавленная соль, материалы с фазовым переходом или керамические материалы, в зависимости от технологии приемника, и производить электричество, питая блок питания накопленным теплом в течение ночи. Это позволяет системам CSP сохранять энергию в хранилище до тех пор, пока она не понадобится электросети, тем самым обеспечивая источник энергии по запросу, который не ограничен мгновенным солнечным или ветровым ресурсом.

В обеих технологиях CSP — параболическом желобе и силовой башне — когда тепловая энергия в расплаве соли или HTF готова к использованию, она направляется в теплообменник.Там его тепло извлекается и используется для кипячения воды, чтобы сделать пар для работы паровой турбины в силовом блоке, как на более ранних электростанциях, которые использовали топливо, такое как природный газ, уголь или атомную электростанцию. Как и старые тепловые электростанции, CSP вырабатывает электроэнергию, вращая гигантское оборудование. После извлечения тепла теперь «более прохладный» расплав соли хранится во втором резервуаре, готовый к отправке в башню для повторного нагрева солнечным светом, отраженным на приемник (рис. 8). Точно так же в PTC HTF после того, как его тепло было извлечено, отправляется обратно в солнечное поле, чтобы получить следующий цикл тепла и вернуть его в силовой блок для повторного использования.

Рис. 8. Принципиальная схема накопителя тепловой энергии с системой CRS.

Источник: адаптировано из http://cleanleap.com/3-thermal-storage/how-thermal-storage-works.

Системы TES на расплавленных солях в настоящее время являются самыми современными в качестве носителей явного теплового накопления тепловой энергии (SHTES). Расплавленные соли (то есть нитраты калия, кальция, натрия, лития и т. Д.) Обладают свойством поглощать и накапливать тепловую энергию, выделяемую в воду, для передачи энергии, когда это необходимо для работы.В конце 2011 г. 62% установленных систем CSP в Испании использовали накопители энергии на расплаве солей (Lovegrove et al., 2012). Расплавленная соль течет, как жидкая вода, с тем преимуществом, что она остается жидкостью при температуре до нескольких сотен градусов по Цельсию. Расплав карбонатной соли можно использовать при температурах до 850 ° C, хотя коммерческий расплав нитратной соли ограничен температурами ниже 600 ° C. Текущие заводы CSP, такие как Andasol 1 в Испании, используют расплав нитратной соли с 60% нитрата натрия (NaNO3) и 40% нитрата калия (KNO3).Нитратная смесь обладает отличной теплоемкостью и вязкостью, но ее температура должна быть выше точки замерзания примерно 220 ° C. Более того, даже при типичной цене соли в 1 доллар США / кг количество, необходимое для большой солнечной электростанции, делает ее дорогостоящим компонентом. Один из способов снизить потребность в расплавленной соли — использовать более дешевые наполнители, такие как камни и песок (Zhang et al., 2016). Эти материалы образуют наполнитель, через который протекает расплав соли, и они недороги и широко доступны по сравнению с расплавом соли.

В коммерческой конструкции TES с расплавленной солью, используемой в Andasol 1, используется система из двух резервуаров, в которой масло HTF нагревает соль, перекачиваемую из холодного резервуара, и хранит горячую соль в горячем резервуаре до тех пор, пока она не понадобится. Это известно как непрямая система, потому что HTF сама по себе не накапливается, а скорее обменивается теплом с отдельным теплоносителем. Одним из усовершенствований по сравнению с этой конструкцией является прямая система с двумя резервуарами, в которой используется расплав соли как в качестве HTF, так и в качестве жидкости для хранения (рис. 9A). Преимущество этой концепции по сравнению с системами TES с двумя резервуарами непрямого действия заключается в отсутствии дорогостоящего теплообменника масло-расплавленная соль, большей эффективности и гибкости в отправке системы TES, а также более высоких рабочих температур, достигаемых с расплавом соли по сравнению к HTF на масляной основе.Анализ показывает, что желобные установки, работающие таким образом, могут производить электроэнергию с меньшими затратами на 14-40% по сравнению с существующими конструкциями нефти и HTF (Turchi et al., 2010), если они могут избежать коррозии и проблем риска замерзания, связанных с использованием расплавленной соли HTF. Гемасолар Термосолнечная установка, разработанная Torresol Energy в Севилье, Испания, использует эту конструкцию.

Рис. 9. Упрощенные схемы двухбаковых систем прямого и термоклинного ТЭС (Cocco, Serra, 2015).

Источник: Cocco, D., and Serra, F. (2015).Сравнение производительности двух резервуарных систем прямого и термоклинного накопления тепловой энергии для концентрирующих солнечных электростанций класса 1 МВт. Энергетика 81 , 526–536.

Дальнейшее снижение затрат обеспечивает хранение на термоклине с одним резервуаром (рис. 9B). В системе хранения термоклина используется один резервуар, который лишь незначительно больше одного из резервуаров в системе хранения тепла с двумя резервуарами. Когда горячая и холодная жидкость находится в одном резервуаре, система хранения термоклина опирается на тепловую плавучесть для поддержания теплового расслоения.Недорогой наполнитель, который используется для упаковки единственного резервуара для хранения, действует как первичный теплоноситель. За счет замены расплавленной соли недорогим наполнителем и исключения одного резервуара для хранения и связанных с ним затрат на насос, клапаны и трубопроводы, система термоклина потенциально может быть на 20-40% дешевле, чем система хранения с двумя резервуарами (EPRI, 2010).

Преимущества TES многочисленны, а именно. увеличение коэффициента мощности за счет увеличения количества часов работы, гибкости сети и гибкости конфигурации.Система TES часто состоит из трех компонентов: носителя информации, HTF и системы локализации. Высокая эффективность и стабильность, низкая стоимость и низкое воздействие на окружающую среду являются ключевыми факторами при разработке и применении TES. Кроме того, методы системы TES можно классифицировать как: накопление явного тепла, накопление скрытой теплоты и термохимическое накопление. В настоящее время системы TES от 7,5 часов (т.е. проект Andasol I, II и III CSP на базе PTC мощностью 50 МВт в Испании) до 15 часов (проект Gemasolar CSP на базе CRS 19.9 МВт в Испании). Системы TES могут оказать заметное влияние на экономическую жизнеспособность проектов CSP, если будет принят механизм переходных тарифов (т. Е. Более высоких тарифов на мощность ВИЭ во время пикового спроса, которые могут быть обеспечены за счет проектов CSP с использованием систем TES).

Уникальная технология аккумулирования тепла собирает пар

Чтобы обойти это ограничение, исследователи из Аргонна разработали способ встраивания материалов с фазовым переходом в пористую пену с высокой теплопроводностью.Затем они герметизируют пену инертным газом внутри модуля, предотвращая попадание влаги или кислорода внутрь и разрушение компонентов. Накопленное тепло внутри блока затем может быть передано, например, воде, где оно становится паром, приводящим в движение турбину. TESS также может быть настроен для конкретного применения путем выбора различных материалов с фазовым переходом.

«Одним из больших преимуществ нашей технологии является то, что она модульная, поэтому вам не нужна огромная структура хранения», — сказал Сингх. «Вы можете изготавливать эти модули определенного управляемого размера, например бочку емкостью 55 галлонов или меньше, и устанавливать их в любом количестве, которое вам потребуется.”

Исследователи продемонстрировали, что TESS работает при температурах выше 700 ° по Цельсию (1292 ° по Фаренгейту). Его высокая плотность энергии делает его меньше по размеру и более гибким, чем обычно используемые системы аккумулирования явного тепла, которые основаны на повышении и понижении температуры материала. Эта технология получила награду R&D 100 в 2019 году, и в настоящее время исследователи работают над ее интеграцией в системы ТЭЦ от Capstone Turbine Corporation для повышения рекуперации тепла.

С помощью отраслевых партнеров Сингх и его коллеги продолжают совершенствовать технологию TESS и разработали собственный испытательный центр для проверки производительности при многократной зарядке и разрядке.В дополнение к усовершенствованию систем когенерации и расширению диспетчеризации опреснительных и электростанций, TESS может преобразовывать отработанное тепло в механическую энергию в тяжелых грузовиках или во внутреннее отопление электромобилей. И так же, как TESS может работать как аккумулятор для тепла, он может делать то же самое и для холода, возможно, предлагая вариант охлаждения для коммерческих зданий.

Компании, заинтересованные в лицензировании или партнерстве по этой технологии, могут отправлять электронные письма партнерам @ anl.

Каким образом достигается масштабирование аккумуляторов тепловой энергии?

Жизненно важная технология для обеспечения глубокого сокращения выбросов парниковых газов существует и хорошо работает, но до сих пор не получила широкого распространения.

Накопители тепловой энергии преуспели в этой области на протяжении десятилетий. Как показали такие компании, как Calmac и Ice Energy, предварительное охлаждение изолированной емкости с жидкостью может сократить расходы на электроэнергию и снизить пиковую нагрузку. В экспериментальном жилом комплексе в Канаде используются подземные накопители тепловой энергии, работающие от солнечной энергии летом, для удовлетворения потребностей в отоплении в течение холодных зим Альберты.

Такие продукты решают проблему обезуглероживания, с которой не может справиться только более чистая электросеть.Здания потребляют 70 процентов электроэнергии, производимой в США, и выбрасывают 40 процентов выбросов углерода в стране. Любая целостная попытка решения проблемы изменения климата должна противодействовать использованию энергии в строительном секторе.

Профессор Стэнфорда Марк Джейкобсон, например, использует подземные хранилища тепла в качестве основы своей дорожной карты для декарбонизации всей энергосистемы США, поскольку это снижает общий спрос на электроэнергию и потребление газа для отопления. Когда этим летом группа ученых раскритиковала это исследование, они особо отметили, что полагаются на этот редко применяемый инструмент.Как можно спасти мир, утверждается в этом аргументе, с помощью технологии, реальное использование которой ограничено малоизвестным пилотным проектом в Альберте?

Аккумуляторный накопитель энергии сталкивается с препятствиями, связанными с его технологической новизной. Трудно убедить финансистов поддержать химический состав батарей, который не имеет большого времени работы и продается стартапом с ограниченным балансом. Несмотря на это, сектор находится на подъеме — GTM Research прогнозирует 22-кратное увеличение количества развернутых мегаватт-часов в США с 2016 по 2022 год.

Между тем, в отношении хранения тепловой энергии вопросы технологичности в значительной степени решены, но сегмент не поцарапал поверхность его потенциального воздействия. В самом деле, этот потенциал вряд ли можно увидеть за пределами горстки компаний, которые сделали ставку на него и сформулировали свое видение с почти мессианским рвением.

«Я ожидаю, что тепловые будут больше, чем батареи, — сказал генеральный директор Ice Energy Майк Хопкинс, — потому что тепловые нагрузки — это большие нагрузки. Они представляют собой проблемные нагрузки; они не поддаются использованию аккумуляторов электроэнергии.»

О росте популярности аккумуляторов написано много. Меньше внимания уделяется контингенту аккумуляторов тепла, но у них есть свои стратегии роста. Их успех может не только помочь коммунальным предприятиям в их стремлении преодолеть изгибы утки и неуклонно ползучие пики, но и сыграть центральную роль в сокращении выбросов углерода зданиями по всему миру.

Технология

Основная идея аккумулирования тепла — преобразование излишков электроэнергии в тепло или холод, которые можно использовать позже.

Этот процесс приобретает значение в масштабах всей сети в свете роста пикового спроса, который коммунальные предприятия по всей стране связывают с одновременным использованием их клиентами вечернего кондиционирования воздуха.

Аккумуляторные батареи могут удовлетворить этот спрос, но при этом возникают потери из-за неэффективности в обоих направлениях; это выбрасывание энергии. Материалы для хранения энергии термически дешевле, чем литий-ионные, и теоретически служат дольше. Основная технология — вода в пластиковом резервуаре.

Кроме того, если вы заморозите ледяную глыбу ночью, когда и температура окружающей среды, и стоимость электричества падают, это потребует меньше энергии и денег, чем это делается в середине солнечного жаркого дня.

«Идея о том, что вы будете хранить энергию в виде батарей для кондиционеров, — действительно плохая идея», — сказал Хопкинс. «Что вы действительно хотите сделать, так это заставить эти тепловые нагрузки работать более эффективно. Сделайте охлаждение, когда это хорошее время для охлаждения».

Ice Energy интегрирует свою технологию в системы кондиционирования воздуха, чтобы использовать нежелательную солнечную энергию в полдень или дешевую ночную электроэнергию для предварительного охлаждения дома перед вечерним пиком. Когда электроснабжение стоит дороже или коммунальное предприятие изо всех сил пытается удовлетворить спрос, Ice Bear использует этот кусок льда для охлаждения здания, вместо того, чтобы потреблять электричество.

В то время как Ice Energy обслуживает коммерческий и жилой рынки, в основном в Калифорнии, Calmac применяет аналогичную технологию для огромных небоскребов и университетских городков. С 1980-х годов компания из Нью-Джерси обслужила более 4000 клиентов в 60 странах.

IceBank Calmac в действии: это группа резервуаров, в которых хранится холодная жидкость. (Изображение предоставлено Calmac)

Axiom Exergy применяет эту концепцию к продуктовым магазинам, сокращая счета за коммунальные услуги за поддержание прохлады продуктов и создавая в течение нескольких часов резервное охлаждение на случай коротких отключений.

Горячие аккумуляторы тепла работают так же, как и холодные: используйте избыточную мощность, чтобы нагреть жидкость, а затем направьте ее по трубопроводу в изолированный резервуар для хранения, пока она не понадобится для обогрева здания.

Сообщество Drake Landing Solar Community в Альберте, Канада, использует подземное централизованное теплоснабжение для хранения солнечной энергии в летнее время. В зимний сезон 2015-2016 гг. Община обеспечивала все потребности в отоплении за счет накопленной тепловой энергии; Таким образом, она обеспечивала более 90 процентов потребностей в отоплении каждую из последних пяти зим.

В более редких случаях технология позволяет преобразовывать накопленную тепловую энергию обратно в электричество. Это то, что лаборатория Google X пытается сделать с проектом, получившим название Мальта. Он будет использовать электричество как для нагрева расплавленных солей, так и для охлаждения резервуаров с жидкостью; при необходимости процесс меняется на противоположный, используя выпущенный горячий и холодный воздух для вращения турбины и регенерации электричества.

Важно отметить, что хранение тепла позволяет избежать опасений по поводу токсичности и воспламеняемости, которые возникают при использовании литий-ионных аккумуляторов большой мощности.

«Нагревание воды или изготовление льда — это не те вещи, о которых можно беспокоиться», — сказал Бретт Саймон, аналитик по хранению энергии в GTM Research. «В этих системах не используются какие-либо реактивные, потенциально опасные или легковоспламеняющиеся химические вещества. Это может привести к тому, что люди, которые более осторожно относятся к хранению аккумуляторов, перейдут к домашнему аккумулятору тепла».

Препятствия к росту

Тепловые аккумуляторы существуют дольше, чем современные аккумуляторы, но они никогда не выходили из нишевого сегмента.Лишь несколько компаний устанавливают это в США, по сравнению с десятками, которые сейчас преследуют рынок аккумуляторных батарей.

По словам Хопкинса из Ice Energy, здесь играют роль культурные пристрастия. Аккумуляторные батареи стали популярными только в последние несколько лет, во многом благодаря умению Илона Маска завладеть воображением публики. Это новообретенное осознание можно передать другим людям.

«Поскольку они знают о литии, когда вы говорите о других формах хранения, это не так уж и плохо», — сказал он.

Тем не менее, тепловому накопителю не хватает знаменитого проповедника, и он не может зарядить сексуальный спортивный автомобиль.

«Дело в том, что аккумуляторы тепла не видны жильцам, — сказал генеральный директор Calmac Марк МакКракен. «Люди, которые заходят в эти коммерческие здания, ожидают, что здание будет прохладным. Они совершенно не понимают, как оно охлаждается».

Компании, стремящиеся вытеснить традиционные системы отопления и охлаждения, должны обращаться к клиентам, когда им нужно это оборудование, потому что это не повседневная покупка.

Новые дома могут быть многообещающим рынком, но для существующих домов время купить новый кондиционер обычно наступает, как только старый ломается. В этот момент у клиента появляется сильный стимул выбрать самое быстрое и простое, что, вероятно, не является шаткой технологией охлаждения, о которой он никогда не слышал.

Помимо проблемы осведомленности потребителей, необходимо преодолеть технические ограничения.

Один из них — это процесс проектирования крупных строительных проектов.По словам Маккракена, обычно архитектор проектирует здание и просит инженеров охладить его. Они смотрят на пиковую мощность охлаждения, необходимую для покрытия самого жаркого дня в году, добавляют запас прочности и называют это днем.

По словам Маккракена, хранение тепла требует другого вида анализа и предполагает представление о риске, даже если оно в конечном итоге стоит столько же и обеспечивает тот же коэффициент безопасности. Требуется время, чтобы проникнуть в этот промышленный рабочий процесс в более широком масштабе.

Даже в этом случае распространение аккумуляторов тепла зависит от экономического компромисса между обычным бизнесом и смещением спроса с пикового значения.Это подразумевает дизайн тарифов, который оказался ненадежным партнером в продвижении продукта.

«Проблема номер один — это неопределенность с тарифами из-за разницы между дневными и ночными расходами», — сказала Мэри Энн Пьетт, директор отдела строительных технологий и городских систем Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. «Тарифы со временем сильно меняются, и нет достаточной уверенности в экономике».

В масштабах всей страны количество дифференцированных по времени тарифов на электроэнергию и программ реагирования на спрос растет по мере того, как коммунальные предприятия раскрывают возможности распределенных энергоресурсов.Пока они не появятся, преимущества накопления тепла для потребителей останутся в основном теоретическими, даже если они уже ощутимы для сети.

География имеет значение

Климат помогает определить эффективность аккумулирования тепла в большей степени, чем для аккумуляторов.

По словам Пьетта, идеальный рынок имеет большие суточные колебания, с жарким днем ​​и более прохладной ночью. Окрестности пустыни, такие как Аризона и внутренняя Калифорния, прекрасно подходят.

В умеренном климате Беркли или на побережье Тихого океана на северо-западе мало домов имеют или нуждаются в кондиционировании.От бытового Ice Cub было бы мало пользы, в то время как батарея по-прежнему могла бы заменять электрическую нагрузку и обеспечивать резервное питание в случае сбоя.

Точно так же подземный накопитель тепла отлично работает в холодной Альберте, но в меньшей степени в месте, где зимой остается довольно тепло. Эта технология также требует высокого уровня участия сообщества: системы работают лучше всего, когда они обслуживают весь район или кампус.

Такого рода сотрудничество трудно достичь без строительства нового жилья; труднее продать улицы, чтобы копать под существующими застройками.Централизованное теплоснабжение хорошо себя зарекомендовало в холодных северных общинах с плотным населением и политикой социального сотрудничества — в основном в Скандинавии. Помогает наличие главного коммунального предприятия для газа, электроэнергии и пара.

«Модели владения и эксплуатации [для централизованного теплоснабжения] не так распространены в наших городских районах», — сказал Пьетт. «Это возможно, и я надеюсь, что со временем мы сможем создать новые бизнес-модели».

Плотность и разнообразие нагрузок делают предложение более привлекательным, добавила она, ссылаясь на офис Amazon в Сиэтле, который покупает отработанное тепло, выбрасываемое ближайшим центром обработки данных.

Партнер для продвижения вперед

Стартапы по хранению тепла, с которыми я говорил, четко заявили об одном: им необходимо сотрудничать с более крупными организациями для масштабирования.

Ice Energy нашла союзников в лице энергокомпании Southern California Edison и независимого поставщика электроэнергии NRG. SCE заключила контракт на 26 мегаватт-часов распределенного хранения тепла у заказчика. Это обеспечило гарантированный доход, необходимый для начала наращивания производства. Осталась проблема с денежным потоком.

Стартап из 22 человек не мог оплатить всех этих ледяных медведей и ждать 20 лет, чтобы получить деньги.Вместо этого Ice Energy продала специальный автомобиль для проекта NRG, у которой огромный баланс. Технически NRG владеет будущим доходом флота и выплачивает Ice Energy аванс за установку оборудования.

Если все пойдет по плану, NRG получит легкую окупаемость инвестиций с минимальным риском: выручка поступает через крупную коммунальную компанию с высоким кредитным рейтингом. Задача Ice Energy — найти компании, готовые разместить в общей сложности 1800 Ice Bears бесплатно, получая экономию на счетах за электроэнергию от 1000 до 1500 долларов в год на каждую единицу (Ice Energy развернула в общей сложности 1200 единиц с момента ее создания).

По словам Хопкинса, у компании также есть контракты с двумя коммунальными предприятиями в Массачусетсе и еще 400 мегаватт на различных этапах переговоров.

Этим летом начались поставки жилого дома Ice Cub, который заменяет обычный кондиционер и добавляет возможности аккумулирования тепла. Хопкинс надеется расширить этот продукт за счет дистрибьюторской сделки с крупным установщиком солнечной энергии.

«Сейчас для нас 1800 кажется большим числом», — сказал он. «На внутреннем рынке вы можете увидеть десятки тысяч жителей США.С. развертывается «.

«Этот рынок домашнего охлаждения не следует недооценивать, особенно если аккумуляторы тепла конкурируют по цене, но добавляют больше услуг», — сказал Саймон из GTM.

«Если они получат 1 процент от рынка домашних систем переменного тока, это уже будет намного больше, чем годовые продажи домашних аккумуляторов», — отметил он.

Axiom Exergy также ищет более крупные компании для продвижения своего продукта. В данном случае: национальные сети продуктовых магазинов. Компания разрабатывает развертывание нескольких магазинов с Whole Foods и Walmart, чтобы следить за начальными демонстрационными установками.

«Я не вижу никаких препятствий в обозримом будущем, потому что существует так много продуктовых магазинов и холодильных складов», — сказал директор по продажам Джон Лерх. «Всегда будет … необходимость хранить еду в охлажденном состоянии, чтобы распространять ее повсюду».

Calmac, вышедший из фазы запуска несколько десятилетий назад, обсуждает партнерские отношения с коммунальными предприятиями, но пока их не ведет. Компания также обращается к другим партнерам: компаниям по хранению аккумуляторов.

Идея состоит в том, чтобы предложить коммерческим клиентам гибридный продукт с накопителем тепла, рассчитанным на тепловую нагрузку, и батареями, чтобы справиться с остаточным пиковым спросом. Это могло бы обеспечить экономию при более низком расходе на киловатт-час, чем если бы батареи должны были нести нагрузку по обогреву и охлаждению.

Тепловые аккумуляторы дополняют более умную сеть, чем та, которая у нас есть сегодня. Будет трудно продавать, пока покупатель платит столько же за киловатт-час на пике всей сети, как в 3 часа ночи. Но по мере того, как покупатели становятся более грамотными в энергосистеме, коммунальные предприятия начинают посылать более сложные ценовые сигналы ряду предприятий. распределенные энергетические активы, спрос на технологию аккумулирования тепла может, наконец, начать расти.

Технология хранения тепловой энергии | Ассоциация накопителей энергии

Краткое содержание

Жидкостное воздушное хранилище энергии (LAES), также называемое криогенным хранилищем энергии (CES), представляет собой долгосрочную крупномасштабную технологию хранения энергии, которая может быть расположена в точке спроса. Рабочая жидкость — сжиженный воздух или жидкий азот (~ 78% воздуха). Системы LAES имеют те же рабочие характеристики, что и гидроаккумуляторы, и могут использовать низкопотенциальные промышленные отходы тепла и холода из совместных процессов.Размер варьируется от 5 МВт до 100 + МВт, и, учитывая разделение мощности и энергии, системы очень хорошо подходят для длительных применений.

Обсуждение

Несмотря на новизну на системном уровне, процесс LAES использует компоненты и подсистемы, которые являются зрелыми технологиями, доступными от основных OEM-производителей. Эта технология в значительной степени опирается на установленные процессы в секторах производства электроэнергии и промышленного газа, с известными затратами, производительностью и жизненным циклом, что обеспечивает низкий технологический риск.

LAES включает три основных процесса:

  • Этап 1. Зарядка системы
    Зарядная система представляет собой ожижитель воздуха, который использует электрическую энергию для забора воздуха из окружающей среды, его очистки и последующего охлаждения воздуха до отрицательных температур до тех пор, пока воздух не сжижается. 700 литров окружающего воздуха превращаются в 1 литр жидкого воздуха.
  • Этап 2. Накопитель энергии
    Жидкий воздух хранится в изолированном резервуаре под низким давлением, который функционирует как накопитель энергии.Это оборудование уже используется во всем мире для хранения жидкого азота, кислорода и СПГ. Резервуары, используемые в промышленности, могут хранить ГВтч накопленной энергии.
  • Этап 3. Восстановление энергии
    Когда требуется мощность, жидкий воздух забирается из резервуара (резервуаров) и перекачивается до высокого давления. Воздух испаряется и перегревается до температуры окружающей среды. Это производит газ под высоким давлением, который затем используется для привода турбины.

Повышение эффективности:

Холодная рециркуляция — На этапе 3 очень холодный воздух выпускается и улавливается собственной высококачественной холодильной камерой.Это используется позже в процессе сжижения для повышения эффективности. В качестве альтернативы в систему можно интегрировать холодные отходы промышленных процессов, например, терминалов СПГ.

Тепловой накопитель — Низкая точка кипения сжиженного воздуха означает, что эффективность системы в оба конца может быть улучшена за счет введения вышеупомянутого тепла окружающей среды. Стандартная система LAES компании Highview Power Storage улавливает и накапливает тепло, выделяемое в процессе сжижения (стадия 1), и интегрирует это тепло в процесс рекуперации энергии (стадия 3).Система также может интегрировать отходящее тепло промышленных процессов, таких как выработка тепловой энергии или сталелитейные заводы, на стадии 3, регенерируя дополнительную энергию.

Совершите виртуальный тур по экспериментальной установке Highview Power Storage 350 кВт / 2,5 МВтч

Заключение

Установки LAES могут обеспечивать крупномасштабную, длительную энергию хранилище мощностью 100 МВт. Системы LAES могут использовать промышленные отходы тепло / холод от таких приложений, как тепловые электростанции, сталелитейные заводы и Терминалы СПГ для повышения эффективности системы.ЛАЭС использует существующие и зрелые компоненты с проверенным сроком службы (более 30 лет), производительностью и техобслуживанием расходы.

Новый способ хранения тепловой энергии | MIT News

В большей части развивающегося мира люди получают много тепла от солнца в течение дня, но большая часть приготовления пищи происходит позже вечером, когда солнце садится, с использованием топлива — такого как дрова, щетка или навоз, — которое собирается с помощью значительное время и усилия.

Теперь альтернативой может стать новый химический композит, разработанный исследователями Массачусетского технологического института.Его можно использовать для хранения тепла от солнца или любого другого источника в течение дня в виде тепловой батареи, и он может выделять тепло при необходимости, например, для приготовления пищи или обогрева после наступления темноты.

Распространенный подход к аккумулированию тепла заключается в использовании материала, известного как материал с фазовым переходом (PCM), где подводимое тепло плавит материал, а его фазовый переход — от твердого до жидкого — накапливает энергию. Когда PCM снова охлаждается до температуры ниже точки плавления, он снова превращается в твердое тело, и в этот момент накопленная энергия выделяется в виде тепла.Существует множество примеров этих материалов, включая воски или жирные кислоты, используемые для низкотемпературных применений, и расплавленные соли, используемые при высоких температурах. Но все современные PCM требуют большой изоляции, и они бесконтрольно проходят через эту температуру фазового перехода, относительно быстро теряя накопленное тепло.

Вместо этого в новой системе используются молекулярные переключатели, которые меняют форму в ответ на свет; при интеграции в PCM температуру фазового перехода гибридного материала можно регулировать с помощью света, что позволяет поддерживать тепловую энергию фазового перехода даже ниже точки плавления исходного материала.

Эта установка с синей светодиодной лампой используется для запуска теплового разряда от крупномасштабных пленок материалов с фазовым переходом. (Мелани Гоник / Массачусетский технологический институт)

Новые открытия, сделанные постдоками Массачусетского технологического института Грейс Хан и Хуашан Ли и профессором Джеффри Гроссманом, опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications .

«Проблема с тепловой энергией в том, что ее трудно удержать», — объясняет Гроссман. Поэтому его команда разработала то, что по сути является дополнением к традиционным материалам с фазовым переходом, или «маленькими молекулами, которые претерпевают структурные изменения, когда на них светит свет.«Хитрость заключалась в том, чтобы найти способ интегрировать эти молекулы с обычными материалами PCM для высвобождения накопленной энергии в виде тепла по требованию. «Существует так много приложений, в которых было бы полезно хранить тепловую энергию таким образом, чтобы можно было запускать ее при необходимости», — говорит он.

Исследователи достигли этого, объединив жирные кислоты с органическим соединением, которое реагирует на импульс света. При таком расположении светочувствительный компонент изменяет тепловые свойства другого компонента, который накапливает и высвобождает свою энергию.Гибридный материал плавится при нагревании и после воздействия ультрафиолета остается расплавленным даже после охлаждения. Затем, когда это вызвано другим импульсом света, материал снова затвердевает и возвращает энергию теплового фазового перехода.

«Интегрируя активируемую светом молекулу в традиционную картину скрытого тепла, мы добавляем новый вид ручки управления такими свойствами, как плавление, затвердевание и переохлаждение», — говорит Гроссман, член семьи Мортон и Клэр Гоулдер и семья. Профессор экологических систем, а также профессор материаловедения и инженерии.

Активированный ультрафиолетом материал для аккумулирования тепловой энергии демонстрирует быструю кристаллизацию и выделение тепла при освещении видимым светом (синий светодиод). (Grossman Group в Массачусетском технологическом институте)

«Система может использовать любой источник тепла, а не только солнечную», — говорит Хан. «Отработанное тепло широко распространено, от промышленных процессов до солнечного тепла и даже тепла, исходящего от транспортных средств, и обычно оно просто тратится впустую». Использование некоторых из этих отходов может обеспечить способ утилизации этого тепла для полезных применений.

«То, что мы делаем технически, — объясняет Хан, — это установка нового энергетического барьера, так что накопленное тепло не может быть выпущено немедленно». В своей химически сохраненной форме энергия может сохраняться в течение длительного времени, пока не сработает оптический триггер. В своих первоначальных небольших лабораторных версиях они показали, что накопленное тепло может оставаться стабильным в течение как минимум 10 часов, тогда как устройство аналогичного размера, накапливающее тепло напрямую, рассеивает его в течение нескольких минут. И «нет фундаментальной причины, по которой его нельзя настроить на повышение», — говорит Хан.

В системе первоначальной проверки концепции «изменение температуры или переохлаждение, которое мы достигаем для этого материала, аккумулирующего тепло, может достигать 10 градусов C (18 F), и мы надеемся, что сможем пойти дальше», — говорит Гроссман.

Под микроскопом темного поля микромасштабная среда показывает, что быстрый рост кристаллов можно легко контролировать. (Grossman Group в Массачусетском технологическом институте)

Уже в этой версии «плотность энергии весьма значительна, даже несмотря на то, что мы используем обычный материал с фазовым переходом», — говорит Хан.Материал может хранить около 200 джоулей на грамм, что, по ее словам, «очень хорошо для любого материала с органическим фазовым переходом». И уже «люди проявили интерес к использованию этого для приготовления пищи в сельских районах Индии», — говорит она. Такие системы также можно использовать для сушки сельскохозяйственных культур или для обогрева помещений.

«Наш интерес к этой работе состоял в том, чтобы продемонстрировать доказательство концепции, — говорит Гроссман, — но мы считаем, что есть большой потенциал для использования светоактивированных материалов, чтобы нарушить теплоаккумулирующие свойства материалов с фазовым переходом».

«Это очень творческое исследование, ключевым моментом которого является то, что ученые объединяют материал с термически управляемым фазовым переходом и молекулу с фотопереключением, чтобы создать энергетический барьер для стабилизации накопления тепловой энергии», — говорит Цзюньцяо Ву, профессор материаловедение и инженерия в Калифорнийском университете в Беркли, который не принимал участия в исследовании. «Я считаю, что эта работа важна, поскольку она предлагает практический способ хранения тепловой энергии, что в прошлом было сложной задачей.”

Работа была поддержана Центром технологий и дизайна Тата в рамках энергетической инициативы Массачусетского технологического института.

Керамика длительного хранения тепла, поглощающая тепловую энергию из горячей воды

Реферат

На тепловых и атомных электростанциях 70% производимой тепловой энергии теряется в виде отработанного тепла. Температура отходящего тепла ниже температуры кипения воды. Здесь мы показываем материал с длительным хранением тепла, который поглощает тепловую энергию при высоких температурах от 38 ° C (311 K) до 67 ° C (340 K).Эта уникальная серия материалов состоит из скандийзамещенного пентоксида лямбда-трититана (λ-Sc x Ti 3- x O 5 ). λ-Sc x Ti 3− x O 5 не только аккумулирует тепловую энергию из горячей воды, но также может высвобождать накопленную тепловую энергию за счет приложения давления. λ-Sc x Ti 3− x O 5 обладает потенциалом аккумулировать тепловую энергию горячей воды, вырабатываемой на тепловых и атомных электростанциях, и рециркулировать накопленную тепловую энергию по запросу путем приложения внешнего давления .Кроме того, его можно использовать для рециркуляции отработанного тепла на промышленных предприятиях и в автомобилях.

ВВЕДЕНИЕ

Произведенная тепловая энергия не может быть эффективно преобразована в электрическую на тепловых и атомных электростанциях. Семьдесят процентов произведенной тепловой энергии выбрасывается как отходящее тепло ( 1 4 ). Температура этого отходящего тепла ниже температуры кипения воды, то есть 100 ° C (373 K) ( 5 ). Отработанное тепло в настоящее время выбрасывается в атмосферу через воду или воздух, отрицательно влияя на окружающую среду ( 6 12 ).Хранение и использование этого отходящего тепла дало бы множество преимуществ за счет повышения энергоэффективности и соблюдения экологических требований. В данной статье мы сообщаем о долговременной теплоаккумулирующей керамике, замещенной скандием пентоксидом лямбда-трититана, поглощающей тепловую энергию путем фазового перехода твердое тело-твердое тело при температуре ниже температуры кипения воды. Керамика может многократно использовать тепловую энергию за счет давления и нагрева. Эти характеристики аккумулирования тепла могут обеспечить сложную технологию повторного использования энергии для тепловых и атомных электростанций и смягчить негативное воздействие отработанного тепла на окружающую среду.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Расчеты энергии пласта из первых принципов

Стремясь реализовать теплоаккумулирующие материалы ( 13 , 14 ), способные поглощать низкотемпературное отходящее тепло, наши исследования были сосредоточены на металлзамещенной лямбде. -пентоксид трититана (λ- M x Ti 3 O 5 ). λ-Ti 3 O 5 демонстрирует фазовые переходы, индуцированные фото и давлением ( 15 19 ).На сегодняшний день описано несколько типов металлзамещенного λ-Ti 3 O 5 ( 20 22 ). Мы рассмотрели катионы металлов, подходящие для металлического замещения иона Ti в λ-Ti 3 O 5 . В частности, мы провели расчеты из первых принципов и определили энергии образования различных λ- M x Ti 3 O 5 с использованием 54 различных элементов. Рисунок 1A и фиг. S1 показывает результаты, где синий цвет означает, что замещение иона металла стабилизирует энергию образования, а оранжевый цвет дестабилизирует энергию образования.

Рис. 1. Расчеты энергий пласта из первых принципов.

( A ) Периодическая таблица, окрашенная в соответствии с полной электронной энергией λ-Ti 3 O 5 с элементным замещением. Синие элементы — это те элементы, у которых замещенный λ-Ti 3 O 5 показывает более низкую энергию образования, чем у чистого λ-Ti 3 O 5 . Оранжевые элементы — это те, у которых замещенный λ-Ti 3 O 5 показывает более высокую энергию образования.( B ) Расчетная полная электронная энергия λ-A x Ti 3− x O 5 (A, трехвалентные элементы) и ( C ) λ-B x Ti 3- x O 5 (B, четырехвалентные элементы) в порядке атомного номера. Один из трех узлов Ti в λ-Ti 3 O 5 заменен цветным элементом для расчетов из первых принципов. Элемент A в λ-A x Ti 3− x O 5 заменяет сайт Ti1.Элемент B в λ-B x Ti 3- x O 5 заменяет сайт Ti2. Синие и оранжевые квадраты представляют, что замещенный элементарным элементом λ-Ti 3 O 5 показывает более низкую энергию образования и более высокую энергию образования соответственно. Черный квадрат обозначает чистый λ-Ti 3 O 5 .

Из этих элементов только шесть обладают стабилизирующим действием: Sc, Nb, Ta, Zr, Hf и W (рис. 1, B и C). Таким образом, мы синтезировали эти λ- M x Ti 3 O 5 .Замещение Nb, Ta, Zr, Hf и W дает β-фазу. Однако Sc-замещенный Ti 3 O 5 предполагает λ-фазу (рис. S2). Здесь мы сообщаем о синтезе, кристаллической структуре и теплоаккумулирующих свойствах Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 .

Кристаллическая структура

Мы использовали метод дуговой плавки для синтеза Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 ( 23 27 ). На рис. 2А представлена ​​синтетическая процедура.Порошки-предшественники Sc 2 O 3 , TiO 2 и Ti смешивают и получают 8-миллиметровую таблетку смеси. Для плавления гранул в атмосфере аргона использовалась дуговая плавка. Затем образцу придают форму сферического шара (рис. 2А). Полученный образец размалывается вручную. Формула образца определяется как Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 с помощью рентгеновских флуоресцентных (XRF) измерений (см. Материалы и методы). Мы выполнили измерения синхротронной рентгеновской дифракции (SXRD), используя канал BL02B2 на SPring-8, чтобы определить кристаллическую структуру ( 28 ).На рис. 2В показана рентгенограмма свежеприготовленного образца при комнатной температуре. Согласно анализу Ритвельда, кристаллическая структура является моноклинной (пространственная группа C 2/ м ) с параметрами решетки a = 9,84195 (4) Å, b = 3,79151 (1) Å, c = 9,98618 (4) Å, β = 91,1207 (3) ° и объем элементарной ячейки В = 372,572 (3) Å 3 (рис. S3).

Рис. 2 Синтез, кристаллическая структура и морфология λ-Sc 0.09 Ti 2,91 O 5 .

( A ) λ-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 синтез образца. Гранулированная смесь порошка Sc 2 O 3 , TiO 2 и металлического Ti диаметром 8 мм приготавливается, плавится и быстро охлаждается в процессе дуговой плавки. После плавления затвердевший (как приготовленный) образец измельчают вручную. Фото: Йошитака Накамура, Panasonic Corporation. ( B ) Диаграмма синхротронной дифракции рентгеновских лучей (SXRD) свежеприготовленного Sc 0.09 Ti 2,91 O 5 образец, собранный при комнатной температуре с λ = 0,420111 Å. Верхняя синяя и нижняя оранжевые полосы представляют расчетные положения брэгговских отражений λ-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 и β-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 . ( C ) Изображение порошкообразного образца, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), показывает размер зерна менее 100 мкм. Частица порошкообразного образца разрезается сфокусированным ионным пучком.Изображение STEM показывает полосообразные домены размером около 100 нм × 200 нм. Масштабные полосы показывают 100 мкм на SEM-изображении и 100 нм на STEM-изображении.

Эти характеристики соответствуют кристаллической структуре λ-Ti 3 O 5 . λ-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 имеет немного больший объем элементарной ячейки, чем у λ-Ti 3 O 5 с расширением 0,4%. Кроме того, β-фаза присутствует в качестве второстепенной фазы. Β-фаза имеет моноклинную кристаллическую структуру (пространственная группа C 2/ м ) с параметрами решетки a = 9.7930 (4) Å, b = 3,8064 (14) Å, c = 9,4375 (4) Å, β = 91,5611 (3) ° и V = 351,66 (2) Å 3 . Изображение, полученное с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM), показывает полосообразные домены размером приблизительно 100 нм × 200 нм (рис. 2C).

Фазовый переход, индуцированный давлением

Затем мы измерили фазовый переход, вызванный давлением, с помощью SXRD (рис. S4). Свежеприготовленный образец был сжат гидравлическим прессом под давлением от 0,2 до 1,7 ГПа.По мере увеличения давления доля λ-фазы уменьшается, а доля β-фазы увеличивается (фиг. 3A). Давление перехода составляет 670 МПа (рис. 3В). Образец после фазового перехода, вызванного давлением (рис. 3A), был нагрет, и была собрана температурная эволюция рентгенограмм (рис. S5). На рисунке 3C показаны пики λ- (203), λ- и β- (20-3) и α- (023). Пики λ и β остаются постоянными до 50 ° C (323 K), затем β-фаза уменьшается, а λ-фаза увеличивается при 75 ° C (348 K), что указывает на обратимость из-за давления и нагрева.Λ-фаза переходит в α-фазу при температуре выше 175 ° C (448 K), но после охлаждения возвращается в λ-фазу при отсутствии перехода обратно в β-фазу (рис. S6).

Рис. 3 Фазовый переход под давлением и процесс аккумулирования тепла.

( A ) SXRD-диаграммы Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 , измеренные при комнатной температуре и давлении окружающей среды после сжатия от 0,2 до 1,7 ГПа с помощью гидравлического пресса (λ = 0,420111 Å). По мере увеличения давления пики λ- (20-3) и λ- (203) (синий) уменьшаются, а пик β- (20-3) (оранжевый) увеличивается, указывая на фазовый переход, вызванный давлением.а.е., условные единицы. ( B ) Зависимость от давления фазовых долей Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 , рассчитанная по рентгенограммам в (A). Давление перехода (давление фазового перехода) составляет 670 МПа. ( C ) Рентгенограммы Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 , измеренные при температуре от 27 ° C (300 K) до 300 ° C (573 K; λ = 0,999255 Å). Пики λ и β постоянны до 50 ° C (323 K; оранжевый), затем β-фаза уменьшается, а λ-фаза увеличивается при 75 ° C (348 K; синий).Λ-фаза переходит в α-фазу выше 175 ° C (448 K; черный), но восстанавливается при охлаждении. ( D ) Диаграмма ДСК для Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 показывает эндотермическую реакцию при 67 ° C (340 K). Образцы сжимают при 1,7 ГПа перед измерениями на диаграммах SXRD и DSC при переменной температуре.

Теплоаккумулятор

Мы измерили массу теплопоглощения образца после фазового перехода под давлением с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).Мы обработали образец, сжатый при 1,7 ГПа с 22,7% λ-фазы и 77,3% β-фазы от 0 ° C (273 K) до 300 ° C (573 K). Поглощение тепла наблюдается с пиком поглощения при 67 ° C (340 K) (рис. 3D). С учетом конверсии λ- и β-фаз масса поглощения тепла составляет 75 кДж. Литр -1 . Фазовые переходы, вызванные давлением и нагреванием, наблюдались неоднократно (рис. S7).

По сравнению с предыдущей работой ( 16 ), температура аккумулирования тепла от создаваемой давлением β-фазы до λ-фазы в настоящем исследовании составляет 67 ° C, что является значительным снижением по сравнению со 197 ° C.Это уменьшение объясняется уменьшением разницы в энергии пласта между двумя фазами, что снижает температуру пересечения двух кривых энергии Гиббса ( 29 ). Расчеты из первых принципов подтверждают эти результаты. Зависимость энергии Гиббса от температуры приведена на рис. 4 и в разделе «Материалы и методы».

Рис. 4 Механизм снижения температуры перехода.

Расчетная термодинамическая свободная энергия Ti 3 O 5 и Sc 0.09 Ti 2,91 O 5 с суперячейками (1 × 3 × 1). Сайт замещения Sc для расчета устанавливается на Ti3, и 1 из 36 атомов Ti замещается в λ- и β-Ti 3 O 5 . Разность свободных энергий λ- и β-фаз составляет Δ G G = G λ G β ). При Δ G = 0 (черная пунктирная линия) свободные энергии фаз λ и β равны, что указывает на температуру кроссовера (расчетную температуру фазового перехода).Нормализованная температура 1,0 установлена ​​на T p1 = 848 K (575 ° C), что является расчетной температурой кроссовера λ- и β-Ti 3 O 5 (синяя пунктирная линия, Δ G Ti3O5 = 0). Красная пунктирная линия представляет собой температуру кроссовера λ- и β-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 G Sc0.09Ti2.91O5 = 0) при T p2 = 614 K (341 ° С). Температура кроссовера Sc 0.09 Ti 2,91 O 5 уменьшается примерно на 27,6% от температуры Ti 3 O 5 . Этот коэффициент снижения температуры хорошо согласуется с экспериментально полученным коэффициентом уменьшения 27,7%, рассчитанным на основе температуры фазового перехода 470 K (197 ° C), указанной в λ-Ti 3 O 5 и измеренных 340 K (67 ° C). в λ-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 (Рис. 3D).

Термодинамический механизм длительного накопления тепла и фазового перехода под давлением

Согласно предыдущим отчетам о λ-Ti 3 O 5 ( 15 , 16 ), обратимый фазовый переход между λ Считается, что фаза и β-фаза из-за давления и тепла связаны с энергетическим барьером между двумя фазами, который возникает из-за упругого взаимодействия внутри материала.Чтобы понять механизмы долговременного накопления тепла и выделения тепловой энергии под действием низкого давления, мы покажем свободную энергию Гиббса системы ( G sys ) с использованием термодинамической модели, основанной на среднем поле Слихтера и Дрикамера. модель (модель SD) ( 30 ) (см. Материалы и методы). Свободная энергия Гиббса в модели SD ( G sys ) описывается как G sys = x Δ H + γ x (1 — x ) + T { R [ x ln x + (1 — x ) ln (1 — x )] — x Δ S }, с параметром кооперативного взаимодействия (γ) между фазой λ и β-фаза из-за упругих взаимодействий внутри кристалла. x — это отношение фазы λ, а R — газовая постоянная. По результатам измерения ДСК энтальпия перехода (Δ H ) составляет 75 кДж литр −1 (4,0 кДж моль −1 ), а энтропия перехода (Δ S ) составляет 0,22 кДж K −1 литр −1 (12 JK −1 моль −1 ). Когда параметры взаимодействия заданы как конкретная комбинация значений, расчет модели SD хорошо воспроизводит данные измерений (т.е.е. фазовый переход β-фаза → λ-фаза происходит около 350 K). Затем термически образованная λ-фаза сохраняется даже при низких температурах в процессе охлаждения (рис. 5, A и B). Таким образом, причина, по которой λ-фаза сохраняется в течение длительного периода, состоит в том, что наличие энергетического барьера между λ- и β-фазами предотвращает преобразование λ-фазы в β-фазу. Приготовленный λ-Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 показывает хорошую стабильность; т.е. λ-Sc 0,09 Ti 2.91 O 5 идеально сохраняется через 248 дней (около 8 месяцев) и 367 дней (1 год) после измерения XRD.

Рис. 5 Механизм длительного накопления тепла и фазового перехода под давлением. Кривые зависимости

( A ) свободной энергии Гиббса ( G sys ) от доли фазы λ ( x ) от 420 до 200 K с интервалом 20 K, рассчитанные по модели SD. Синие сферы показывают тепловую заселенность λ-фазы. ( B ) Температурная зависимость рассчитанных долей λ-фазы (синий) и β-фазы (красный).( C ) G sys по сравнению с x при атмосферном давлении 0,1, 400 и 700 МПа при 300 К.

Кроме того, мы воспроизвели индуцированный давлением фазовый переход из λ-фазы в β-фазу. Приложение давления к системе вызывает исчезновение энергетического барьера и вызывает фазовый переход из λ-фазы в β-фазу (рис. 5C). Этот индуцированный давлением фазовый переход вызван изменением значения γ при приложении внешнего давления (см. Материалы и методы).Следовательно, система улавливается как λ-фаза при комнатной температуре, но приложение давления преодолевает энергетический барьер, что приводит к фазовому переходу в β-фазу.

ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 6 схематично показана система аккумулирования тепла с использованием Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 . Вода для охлаждения турбины на электростанции перекачивается из реки или моря. Когда вода проходит через турбину, температура воды увеличивается из-за теплообмена. Энергия горячей воды передается на Sc-замещенный λ-Ti 3 O 5 в резервуарах.Впоследствии вода с пониженной тепловой энергией возвращается в реку или море. Эта система может смягчить повышение температуры воды в реке или море. Λ-Ti с накоплением энергии Sc-замещенный 3 O 5 может высвобождать накопленную тепловую энергию путем приложения давления, позволяя использовать энергию по запросу. Например, накопленная тепловая энергия может подаваться в здания или промышленные предприятия, расположенные рядом с электростанциями, без использования электричества. Кроме того, используя преимущество характеристики удержания скрытой тепловой энергии до приложения давления, если запасенная Sc-замещенная λ-Ti 3 O 5 транспортируется грузовиком, тепловая энергия может использоваться в удаленном месте.Что касается эффективности, то значение эффективности преобразования энергии ( e ) оценивается на основе температурной зависимости энтальпии для λ-фазы и β-фазы, полученной расчетами из первых принципов и измерениями DSC (рис. S8). Например, когда температура тепловыделения составляет 15 ° C (288 K), а повышение температуры составляет 1 K, эффективность составляет 93%. При повышении температуры на 5 К КПД составляет 77% (таблица S1).

Рис. 6 Применение Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 для электростанций.

Схематическое изображение системы рециркуляции тепловой энергии с использованием Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 теплоаккумулирующей керамики. Вода для охлаждения турбины на электростанции перекачивается из реки или моря. Вода нагревается после теплообмена через турбину. Эта энергия горячей воды накапливается в резервуарах, содержащих Sc-замещенный λ-Ti 3 O 5 теплоаккумулирующая керамика. Вода с пониженной тепловой энергией возвращается в реку или море, смягчая повышение температуры моря.Накопленная энергия Sc-замещенная λ-Ti 3 O 5 Теплоаккумулирующая керамика может поставлять тепловую энергию в здания или промышленные предприятия за счет приложения давления. Кроме того, керамику с накоплением энергии можно транспортировать в дальние места на грузовике.

В заключение продемонстрируем теплоаккумулирующую керамику на основе Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 , которая поглощает тепло от горячей воды. После проведения расчетов из первых принципов мы синтезировали Sc-замещенную керамику λ-Ti 3 O 5 с теплопоглощением ниже 100 ° C (373 K).Этот теплопоглощающий материал при температуре ниже 100 ° C может рекуперировать тепловую энергию из охлаждающей воды в турбинах электростанций, смягчая повышение температуры морской воды. Кроме того, температуру поглощения тепла можно легко контролировать, изменяя содержание Sc в λ-Ti 3 O 5 в соответствии с целевым применением.

Эти изменения температуры поглощения тепла приписываются изменению температуры кроссовера энергий Гиббса. Мы успешно синтезировали λ-Sc 0.105 Ti 2,895 O 5 с температурой поглощения тепла 45 ° C (318 K) и λ-Sc 0,108 Ti 2,892 O 5 с температурой поглощения тепла 38 ° C (311 K (см. «Материалы и методы» и рис. S9). Sc-замещенный λ-Ti 3 O 5 расширит возможности использования тепловой энергии, поскольку он может использовать тепловую энергию, которая в настоящее время находится в неиспользуемом диапазоне температур. Помимо электростанций, должны быть возможны другие применения настоящего материала, такие как использование аккумуляторов тепла для сбора отработанного тепла заводов, транспортных средств, мобильных телефонов и электронных устройств.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Расчеты из первых принципов

С учетом валентностей между шестикоординированным Ti 3+ и Ti 4+ в λ-Ti 3 O 5 ( 15 , 16 , 31 ), полная электронная энергия λ-Ti 3 O 5 , замещенных трехвалентными или четырехвалентными элементами из одного из трех узлов Ti, была рассчитана расчетами из первых принципов с использованием пакета моделирования Vienna ab initio ( VASP) код.Кристаллическая структура λ-Ti 3 O 5 , показанная в ( 16 ), использовалась в качестве расчетных моделей для исходной структуры. Параметры решетки и положения атомов были оптимизированы при стандартном давлении с энергией отсечки 500 эВ и сеткой k 7 × 7 × 2 до тех пор, пока электронные итерации не сойдутся ниже 10 −5 эВ. На основе расчетов из первых принципов мы сосредоточились на синтезе Sc-замещенного Ti 3 O 5 , потому что Sc принимает Sc 3+ с шести- или восьмикоординированной геометрией, что препятствует высшим валентным состояниям. в участках Ti, наблюдаемых в β-Ti 3 O 5 .

Синтез материала дуговой плавкой

Sc-замещенный λ-Ti 3 O 5 образцов синтезировано методом дуговой плавки с использованием гранулированной порошковой смеси металлического Ti (чистота 99,9%), TiO 2 ( Чистота 99,9%) и Sc 2 O 3 (чистота 99,99%) в атмосфере Ar при 0,05 МПа. Порошки металлического Ti, TiO 2 и Sc 2 O 3 смешивали в молярном соотношении Ti: TiO 2 : Sc 2 O 3 = 0.478: 2,433: 0,045. В этом методе образцы плавились и переворачивались три или четыре раза на стадии охлаждения меди после затвердевания. Эти затвердевшие образцы перед измерениями размалывали вручную. Состав был подтвержден XRF, и формула была определена как Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 : вычислено: Ti 62,4; О 35,8; Sc, 1,8%; обнаружено: Ti 62,0; О, 36,0; Sc, 2,0%, что идентично смешанному соотношению исходных материалов. Sc 0,105 Ti 2.895 O 5 и Sc 0,108 Ti 2,892 O 5 также были синтезированы образцов, и мы измерили дифрактограммы рентгеновских лучей (рис. S9). Кроме того, были синтезированы образцы Ti 3 O 5 , замещенные 3 атомными% (ат.%) Zr, Nb, Hf, Ta и W, и измерены их дифрактограммы (рис. S2). В основном они показали образцы β-Ti 3 O 5 .

Измерение SXRD

Кристаллические структуры Sc-замещенного Ti 3 O 5 образцов были определены анализом Ритвельда данных SXRD, собранных в канале BL02B2 на SPring-8 ( 28 ).Образцы были запаяны в стеклянных капиллярах для измерений SXRD. Для уточнения структурных параметров использовалась программа РИЭТАН-ФП ( 32 ).

Измерение тепловых свойств

Теплопоглощающие свойства Sc-замещенного Ti 3 O 5 образцов были измерены с помощью DSC (Seiko Instruments, DSC 220C) при скорости нагрева-охлаждения 10 K / мин в атмосфере газообразного воздуха. расход 100 мл / мин. Перед измерениями ДСК образцы, содержащие как λ-фазу, так и β-фазу, были сжаты при 1.7 ГПа, чтобы преобразовать их из фазы λ в фазу β. Кроме того, были измерены термические свойства λ-Sc 0,105 Ti 2,895 O 5 и λ-Sc 0,108 Ti 2,892 O 5 образцов (рис. S9).

Расчет свободной энергии Гиббса из первых принципов

Для интерпретации температуры фазового перехода используются свободные энергии Гиббса для Sc-замещенного λ-Ti 3 O 5 и β-Ti 3 O 5 с суперячейками (1 × 3 × 1) и k -сетка из 2 × 2 × 2 оптимизированных структур были рассчитаны с использованием кода Phonopy в сотрудничестве с кодом VASP для расчетов межатомных силовых констант ( 33 , 34 ).Коэффициент замещения Sc был установлен равным примерно 3 ат.% (Sc 0,09 Ti 2,91 O 5 ). То есть 1 из 36 атомов Ti был замещен атомом Sc в суперъячейках. Рассчитана дифференциальная энергия λ- и β-фаз (Δ G = G λ G β ). Расчетное Δ G Ti 3 O 5 и Sc-замещенного Ti 3 O 5 показано на рис. 4. Ti 3 O 5 показывает Δ G = 0 при 575 ° C (848 K), которая является температурой кроссовера рассчитанных свободных энергий, соответствующей температуре фазового перехода ( 29 ).Sc-замещенный Ti 3 O 5 показал Δ G = 0 при 341 ° C (614 K). Нормированная температура на рис. 4 была установлена ​​на уровне 575 ° C (848 K), что является температурой кроссовера свободных энергий Ti 3 O 5 . Температура кроссовера Sc-замещенного Ti 3 O 5 снизилась примерно на 27,6% от температуры Ti 3 O 5 . Этот коэффициент снижения температуры хорошо согласуется с экспериментально полученным коэффициентом уменьшения 27.7% рассчитано на основе температуры фазового перехода 470 K (197 ° C), указанной в λ-Ti 3 O 5 ( 16 ) и 340 K (67 ° C), измеренной в λ-Sc 0,09 Ti 2,91 О 5 . Расчетная температура кроссовера была завышена по сравнению с температурой фазового перехода, что, вероятно, связано с тем, что магнитное взаимодействие не учитывалось при фононных расчетах. Энергии образования, соответствующие свободным энергиям Гиббса ( G ) при 0 К, составили -2362.47 эВ (λ-Ti 3 O 5 ), −2376,44 эВ (Sc-замещенный λ-Ti 3 O 5 ), −2372,45 эВ (β-Ti 3 O 5 ), и -2381,65 эВ (Sc-замещенный β-Ti 3 O 5 ).

Термодинамический анализ

В расчетах модели SD значение γ зависит от температуры и давления (т.е. γ = γ a + γ b T + γ c P ). По результатам измерения DSC значение Δ H составило 4.0 кДж моль -1 , а величина Δ S составила 11,7 Дж К -1 моль -1 . Когда параметры γ были заданы как γ a = 7 кДж моль −1 , γ b = −1,2 JK −1 моль −1 и γ c = −0,37 Дж МПа −1 моль −1 , расчеты модели SD воспроизвели длительное накопление тепла и фазовый переход под давлением, как показано на рис. 5.

Благодарности: Финансирование: Эта работа была частично поддержана JSPS Grant-in-Aid для специально продвигаемых исследований (грант 15H05697), Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (грант 20H00369) и совместными исследовательскими проектами, Лаборатория материалов и конструкций. , Токийский технологический институт.Эксперименты по синхротронному излучению были выполнены на SPring-8 с одобрения Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения (JASRI; предложения № 2018A1642 и 2018B1797). Мы благодарны Т. Такидзаве (Panasonic Corporation) за настройку расчета из первых принципов с использованием кодов VASP и Phonopy, Х. Тамаки (Panasonic Corporation) за использование дугоплавильного оборудования, H. Kataoka (Panasonic Corporation) за использование гидравлического пресса и Ф. Шинсю (Panasonic Corporation) за получение изображений SEM и STEM.Мы благодарны Ф. Цзя (Токийский университет) и Х. Токоро (Университет Цукуба) за термодинамический расчет, К. Имото (Токийский университет) за расчет энтальпии, К. Накагаве (Токийский университет) за измерение XRF и М. Йошикиё (Токийский университет) за обсуждение рукописи. Автор: Ю.Н. разработал и координировал это исследование, участвовал во всех измерениях и расчетах и ​​написал статью. Ю.С. и M.A. провели измерения SXRD.ТАК. разработал это исследование и написал статью. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Ю.Н. является автором патента, поданного Panasonic Intellectual Property Management Co. Ltd. (№ PCT / JP2019 / 010402, опубликовано 19 сентября 2019 г.). Ю.Н. является автором патентной заявки, поданной Panasonic Intellectual Property Management Co. Ltd. (№ JP 2019-124064, подана | 2 июля 2019 г.). Остальные не заявляют о других конкурирующих интересах. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

  • Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по лицензии Creative Commons Attribution License 4.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.