تكنولوجيا تخزين الحرارة: تحسين كفاءة الاستخدام الشامل للطاقة الحرارية

في الوقت الحاضر ، في العديد من أنظمة استخدام الطاقة ، هناك تناقض بين العرض والطلب على الطاقة ، مما يؤدي إلى استخدام غير معقول للطاقة وكمية كبيرة من النفايات. كفاءة الطاقة مثل الطاقة الشمسية وحرارة النفايات الصناعية منخفضة ، مما لا يهدر الموارد فحسب ، بل يتسبب أيضًا في تلوث حراري غير مهم لبيئة الغلاف الجوي.

لهذا السبب ، أصبح تحسين تحويل الطاقة واستخدامها قضية رئيسية يجب على البلدان تحديد أولوياتها لتنفيذ استراتيجيات التنمية المستدامة ، كما أن تطوير تكنولوجيا تخزين الحرارة من أجل الاستخدام الشامل والفعال للطاقة الحرارية له أهمية قصوى.

موارد وفيرة المتاحة

الطاقة الشمسية هي أهم مصدر للطاقة الأساسية بين مصادر الطاقة المتجددة. إنه&مثل ؛ لا ينضب ولا ينضب&مثل ؛ ويتم توزيعها على نطاق واسع وخالية من التلوث. إنها طاقة نظيفة اقتصادية. يمكن للشمس أن تطلق طاقة 391 × 1021 كيلو واط في الثانية. حتى لو كانت الطاقة المشعة على سطح الأرض هي واحد فقط 2.2 من المليار منها ، فهي تعادل 80000 ضعف الطاقة المولدة في العالم&# 39 ؛ s. بلدي بلد غني نسبيًا بالطاقة الشمسية. أكثر من ثلثي البلاد لديها إشعاع شمسي سنوي يزيد عن 6 جيجا جول متر مربع وساعات سطوع شمس سنوية تزيد عن 2200 ساعة. تبلغ الطاقة المشعة الشمسية السنوية التي يتلقاها سطح الأرض في بلدي حوالي 50 × 1019 كيلوجول ، وهو ما يعادل 170 مليار طن من الفحم القياسي. توفر موارد الطاقة الشمسية الوفيرة هذه أيضًا ظروفًا جيدة لتطوير بلدي&واستخدامه لتوليد الطاقة الشمسية. تأتي حرارة النفايات الصناعية بشكل أساسي من صناعات مثل التعدين ومواد البناء والكيماويات. أظهرت إحصائيات عام 2010 أن مصادر الحرارة المهدرة الصناعية تمثل 67٪ من إجمالي حرارة الوقود ، والتي بلغ معدل الاسترداد منها 60٪. ومع ذلك ، فإن معدل الاستخدام الإجمالي لموارد الحرارة المهدرة في بلدي منخفض ، ومعدل استخدام الحرارة المهدرة لمؤسسات الحديد والصلب الكبيرة حوالي 30٪. ~ 50٪.

هناك مجال كبير لتحسين معدل استخدام موارد الحرارة المهدرة الصناعية في بلدي. خذ الصناعة المعدنية كمثال. في عام 2010 ، بلغ إنتاج بلدي من الصلب الخام 627 مليون طن. كانت الطاقة الموجودة في غاز المداخن المنتج تعادل 30 مليون طن من الفحم القياسي ، وبلغت كمية خبث الصلب المنتج حوالي 280 مليون طن ، وكانت الطاقة الحرارية المحتواة تعادل 10 ملايين طن من الفحم القياسي. . في الوقت الحاضر ، يبلغ معدل استخدام حرارة نفايات غاز المداخن في مؤسسات الحديد والصلب المنزلية حوالي 30٪ ، ومعدل استخدام حرارة نفايات خبث الحديد والصلب هو صفر تقريبًا. إذا كان معدل استخدام الحرارة المهدرة لغاز المداخن يمكن زيادته إلى 90٪ ويمكن زيادة معدل استخدام حرارة نفايات خبث الصلب إلى 60٪ ، يمكن توفير 21.6 مليون طن من الفحم القياسي كل عام ، تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحوالي 50 مليون طن ، و 3.3 مليار كيلوواط ساعة من توليد الطاقة.

يمكن ملاحظة أن استرداد الحرارة المهدرة هو مطلب رئيسي لاستراتيجية الطاقة في بلدي&# 39 ؛ مع فوائد اقتصادية لا حصر لها ، وله أهمية كبيرة للتنمية الاقتصادية والتقدم الاجتماعي لبلدي&# 39 ؛ ، وأمن الطاقة القومي. ومع ذلك ، سواء كانت الطاقة الشمسية أو موارد الحرارة المهدرة الصناعية ، فهناك مشاكل متقطعة وعدم استقرار ، مما يعيق بشكل خطير ترويج وتطبيق التقنيات ذات الصلة.

الحاجة الملحة لتكنولوجيا تخزين الحرارة الكامنة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية

يمكن أن يؤدي استخدام تقنية تخزين الحرارة إلى تخفيف التناقض بين العرض والطلب على الطاقة الحرارية من حيث الوقت والشدة والمكان ، وهو وسيلة مهمة للتشغيل الأمثل لأنظمة الطاقة الحرارية. يتضمن تخزين الحرارة بشكل أساسي ثلاثة أشكال: تخزين حرارة معقول ، تخزين حرارة كامن وتخزين حرارة تفاعل كيميائي.

لا يزال تخزين حرارة التفاعل الكيميائي في مرحلة البحث التجريبي بسبب نظامه المعقد والصعوبة التقنية وقابلية التشغيل الضعيفة ؛ على الرغم من استخدام تقنية تخزين الحرارة المعقولة على نطاق واسع ، إلا أن تخزين الحرارة ناتج عن انخفاض كثافة تخزين الحرارة لكل وحدة حجم من مواد تخزين الحرارة. .

تخزين الحرارة الكامنة هو استخدام الحرارة الكامنة المنبعثة أو الممتصة من خلال عملية تغيير الطور لمواد تخزين الحرارة لتخزين وإطلاق الحرارة. بالمقارنة مع تقنية تخزين الحرارة المعقولة ، يتميز التخزين الكامن بالحرارة بكثافة تخزين الحرارة الكبيرة لكل وحدة حجم ، ولديه امتصاص أكبر للطاقة وإطلاقها ضمن نطاق درجة حرارة انتقال المرحلة ، ونطاق درجة حرارة التخزين والإفراج ضيق ، وهو أمر مفيد للشحن والإفراج درجة حرارة العملية الحرارية مستقرة.

من أجل تحسين كفاءة تحويل الطاقة وتقليل التكاليف ، تتجه تكنولوجيا استخدام الطاقة الشمسية الحرارية نحو درجات حرارة تشغيل أعلى. تجاوزت درجة حرارة التشغيل لتوليد الطاقة الحرارية 600 درجة مئوية ، كما أن درجة حرارة كمية كبيرة من حرارة النفايات الصناعية عالية جدًا (على سبيل المثال ، درجة حرارة غاز مداخن المحول تبلغ 1600 درجة مئوية تقريبًا).

هذه كلها بحاجة ماسة للبحث وتطوير تقنيات تخزين الحرارة الكامنة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية. على الرغم من أن العديد من العلماء في الداخل والخارج قد أجروا أبحاثًا من مستويات مختلفة مثل المواد والعمليات لفترة طويلة ، إلا أنه لا يوجد حتى الآن نظام تخزين حراري كامن متوسط ​​وعالي درجة الحرارة يعمل بشكل مستقر.

بعد سنوات عديدة من البحث المتعمق في هذا المجال من قبل العديد من وحدات البحث المحلية والأجنبية ، جنبًا إلى جنب مع الوضع الحالي والاتجاهات لتطوير التكنولوجيا المحلية والأجنبية ، يُعتقد أن تقنية تخزين الحرارة الكامنة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية تواجه بشكل أساسي ما يلي مشاكل معلقة.

أولاً ، هناك نقص في مواد تخزين الحرارة الكامنة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية مع خصائص شاملة مثل كثافة تخزين الحرارة العالية والموصلية الحرارية القوية. أساس تقنية تخزين الحرارة الكامنة هو مواد تغيير الطور. في الوقت الحاضر ، كانت الأبحاث حول مواد تخزين الحرارة المنخفضة الحرارة (& لتر ؛ 100 درجة مئوية) على أساس شمع البارافين والملح المائي واسعة النطاق ، كما تم تطبيقها أيضًا في مجالات البناء والملابس. ومع ذلك ، لا تزال مواد تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية ، وخاصة مواد تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المرتفعة مع نقطة انصهار>؛ 600 ° C ، ناقصة.

ثانيًا ، مواد تخزين الحرارة المتغيرة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية هي بشكل أساسي أملاح وسبائك غير عضوية. من ناحية أخرى ، يتطلب اختيار المواد المرشحة فهمًا عميقًا للديناميكا الحرارية والآليات الحركية لعملية انتقال الطور للمادة. من ناحية أخرى ، من الضروري الكشف عن تأثير البنية المجهرية على الخصائص الحرارية للمواد من جانبين: نقل الحرارة المعزز والتخزين الفعال للحرارة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن تغليف مواد تغيير الطور السائل والصلب وانحلال الخصائص الحرارية أثناء عملية الخدمة هي أيضًا محتويات لا غنى عنها في البحث عن مواد تغيير الطور ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية. غالبًا ما تكون هذه مشكلة عنق الزجاجة في البحث والتطوير لمثل هذه المواد. تطوير مواد تخزين حرارية عالية الأداء

درس العديد من العلماء في الداخل والخارج المعادن كمواد لتخزين الحرارة. في عام 1980 ، بيرشينال وآخرون. قام بقياس وتحليل الخصائص الفيزيائية الحرارية للسبائك الثنائية والثلاثية المكونة من Al و Cu و Mg و Si و Zn ، والتي توجد بكثرة على الأرض ، ووجد أن درجة حرارة انتقال الطور تتراوح بين 780 850 كلفن وغنية بالسيليكون. أو سبائك الألومنيوم لديها أعلى كثافة لتخزين الحرارة ، وبعد ذلك تمت دراسة مواد تخزين الحرارة المتغيرة في طور الألومنيوم وسبيكة السيليكون على نطاق واسع.

تحتوي مواد الملح غير العضوية على مجموعة واسعة من المصادر ، وقيم محتوى حراري كبير متغير الطور ، وأسعار معتدلة ، وهي مناسبة بشكل خاص للاستخدام كمواد تخزين حرارة ذات درجة حرارة متوسطة وعالية. درس الباحثون الخصائص الفيزيائية الحرارية للملح المصهور بدرجة حرارة أعلى من 450 ℃ ، ووسعوا تطبيق الملح غير العضوي سهل الانصهار بدرجة حرارة تتراوح من 220 إلى 290 ℃ في مجال توليد الطاقة الحرارية الشمسية ، واجتازوا اختبارات مثل التفاضلية. مسح الكالوري. الطريقة: تم قياس الخواص الفيزيائية الحرارية للملح المصهور.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن معدل تغير الحجم للعديد من أنظمة الملح المصهور قبل وبعد تغيير المرحلة يتجاوز 10٪. يزيد معدل تغيير الحجم الأكبر الفراغات في نظام مواد تغيير طور الملح المصهور ، ويؤثر على معدل تخزين / إطلاق الحرارة ، ويزيد من تخزين الحرارة. تقلل صعوبة تصميم معدات النظام من كفاءة تخزين الحرارة. لهذا السبب ، درس الباحثون مدى توافق مواد تخزين الحرارة في مرحلة الملح المصهور مع الفولاذ المقاوم للصدأ ، وأظهرت النتائج أن الفولاذ المقاوم للصدأ له تأثير جيد في مقاومة التآكل على معظم الأملاح المصهورة.

في الوقت نفسه ، يتغير أداء الدورة لمواد الطور الثلاثية المكونة من سبائك الألومنيوم والتوافق مع الحاويات ؛ توافق أملاح الفلورايد المنصهرة مع فولاذ الكوبالت والنيكل وسبائك العناصر المعدنية المقاومة للحرارة ؛ توافق هيدروكسيد الليثيوم مع مواد السبائك الإنشائية. في جوانب أخرى ، أجرى العلماء أيضًا أبحاثًا.

على الرغم من تحقيق بعض النتائج في البحث عن مواد تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية ، إلا أن تكلفة مواد تغيير الطور المعدني والسبائك عالية ، وكثافة تخزين الحرارة لكل وحدة كتلة محدودة. بالإضافة إلى ذلك ، يكون النشاط الكيميائي لمواد تغيير طور السبائك المعدنية أقوى بعد تغيير الطور. ، التآكل الشديد في درجات الحرارة المرتفعة يحد بشكل كبير من تطبيقه الواسع في مجال تخزين الحرارة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية.

كمواد تخزين حرارة متغيرة الطور ، يحتوي الملح المصهور على محتوى حراري كبير لتغيير الطور ، وكثافة تخزين حرارة عالية ، وسعر معتدل. لديها إمكانات تطوير كبيرة في مجال تطبيقات تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية. ومع ذلك ، فإن الملح المصهور لديه توصيل حراري ضعيف ولديه مشاكل تآكل خطيرة في درجات الحرارة العالية مع مواد تغيير طور السبائك المعدنية ، والتي لا تزال تمثل مشكلة تقيد تطبيق المقياس.

لذلك ، فإن تطوير مواد تخزين الحرارة عالية الأداء وطرق تحضيرها هو اتجاه حتمي في البحث عن مواد تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية وطريقة حتمية لتطوير تقنية تخزين الحرارة.

إن تشتت الطاقة الشمسية ، والحرارة المهدرة الصناعية ، وامتداد الطاقة الكبير ، والطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة كلها تتطلب تكنولوجيا تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية.

يشمل البحث في تكنولوجيا تخزين الحرارة على نطاق واسع تقاطع علوم المواد والهندسة الكيميائية والهندسة الميكانيكية ونقل الحرارة والكتلة والتدفق متعدد المراحل.

يعد تطوير مواد تخزين الحرارة ذات درجة الحرارة العالية والمتوسطة عالية الأداء ذا أهمية كبيرة في مجال تخزين الحرارة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية ، وخاصة توليد الطاقة الحرارية الشمسية ، واستعادة الحرارة المهدرة الصناعية وغيرها من المجالات.