Latentwärmespeicher (LHS)
Ein üblicher Ansatz zur Speicherung von Wärmeenergie ist die Verwendung von Materialien, die als Phasenwechselmaterialien (PCMs) bezeichnet werden. Diese Materialien speichern Wärme, wenn sie einen Phasenwechsel erfahren , beispielsweise von fest nach flüssig, von flüssig nach gasförmig oder von fest nach fest (Wechsel einer kristallinen Form in eine andere ohne einen physikalischen Phasenwechsel).
Der Phasenwechsel ” Fest-Flüssig ” wird am häufigsten verwendet, aber auch der Wechsel von Fest zu Fest ist von Interesse. Diese Materialien können als effektive Möglichkeit zur Speicherung von Wärmeenergie (Sonnenenergie, Strom außerhalb der Hauptverkehrszeiten, Industrieabwärme) verwendet werden. Der Latentwärmespeicher hat gegenüber sensiblen Wärmespeichern die Vorteile einer hohen Speicherdichte (aufgrund der hohen latenten Schmelzwärme ) und der isothermen Natur des Speicherprozesses. Die Schmelzwärme oder die Verdampfungswärme ist viel größer als die spezifische Wärmekapazität. Der Vergleich zwischen Latentwärmespeicher und fühlbarer Wärmespeicherung zeigt, dass bei Latentwärmespeichern die Speicherdichten typischerweise 5 bis 10 mal höher sind.
Im Allgemeinen sind latente Wärmeeffekte, die mit dem Phasenwechsel verbunden sind, signifikant. Latente Wärme , auch als Verdampfungsenthalpie (Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf) oder Fusionsenthalpie (Phasenwechsel von Feststoff zu Flüssigkeit) bekannt, ist die Wärmemenge, die einem Stoff zugeführt oder von ihm abgeführt wird, um eine Änderung zu bewirken Phase. Diese Energie zerlegt die intermolekularen Anziehungskräfte und muss auch die zur Expansion der Substanz notwendige Energie liefern (die pΔV-Arbeit ). Wenn latente Wärme hinzugefügt wird, tritt keine Temperaturänderung auf.
Phasenwechselmaterial
Phase Change Materials (PCM) sind Latentwärmespeichermaterialien. Es ist möglich, Materialien mit einer latenten Schmelzwärme und Schmelztemperatur im gewünschten Bereich zu finden. Das beim Entwurf von Wärmespeichersystemen zu verwendende PCM sollte die gewünschten thermophysikalischen, kinetischen und chemischen Eigenschaften aufweisen.
Thermophysikalische Eigenschaften
- Geeignete Phasenübergangstemperatur für die spezifische Anwendung.
- Hohe latente Wärme des Phasenübergangs, um das minimal mögliche Volumen zu besetzen. .
- Schmelztemperatur im gewünschten Betriebstemperaturbereich.
- Hohe spezifische Wärme für zusätzliche spürbare Wärmespeicherung.
- Hohe Wärmeleitfähigkeit, um den Temperaturgradienten zu minimieren und das Laden und Entladen der Energie der Speichersysteme zu unterstützen.
- Geringe Volumenänderungen bei Phasenumwandlung und geringer Dampfdruck bei Betriebstemperaturen verringern das Einschlussproblem.
Kinetische Eigenschaften
- Hohe Keimbildungsrate zur Vermeidung von Unterkühlung der flüssigen Phase.
- Hohe Kristallwachstumsrate, so dass das System die Anforderungen der Wärmerückgewinnung aus dem Speichersystem erfüllen kann.
Chemische Eigenschaften
- Aus Sicherheitsgründen ungiftige, nicht brennbare und nicht explosive Materialien.
- Chemische Langzeitstabilität und vollständiger reversibler Schmelz- / Gefrierzyklus.
- Kein Abbau nach einer großen Anzahl von Gefrier- / Schmelzzyklen.
- Geringe Korrosivität
Schließlich muss das Material reichlich vorhanden, verfügbar und billig sein, um die Machbarkeit der Verwendung des Speichersystems zu verbessern.
Es gibt eine große Anzahl von PCMs, die in drei Gruppen unterteilt werden können:
- Organische PCMs
- Anorganische PCMs
- Eutektische PCMs
Beispielsweise kann der Wärmespeicher in konzentrierenden Solarkraftwerken (CSP) verwendet werden, bei denen der Hauptvorteil in der Fähigkeit besteht, Energie effizient zu speichern und den Stromversand über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden zu ermöglichen. In einer CSP-Anlage, die Speicher enthält, wird die Sonnenenergie zuerst zum Erhitzen der Salzschmelze oder des synthetischen Öls verwendet, um Wärmeenergie bei hohen Temperaturen in isolierten Tanks zu speichern. Später wird heißes geschmolzenes Salz zur Dampferzeugung verwendet, um Strom durch Dampfturbogenerator gemäß Anforderung zu erzeugen. Die Nutzung sowohl latenter als auch sensibler Wärme in konzentrierten Solarkraftwerken ist mit solarthermischem Hochtemperatureintrag möglich. Verschiedene eutektische Metallmischungen wie Aluminium und Silizium (AlSi12) bieten einen hohen Schmelzpunkt (577 ° C), der für eine effiziente Dampferzeugung geeignet ist.
Wärmespeicherung
In der Thermodynamik wird innere Energie (auch als Wärmeenergie bezeichnet ) als die Energie definiert, die mit mikroskopischen Energieformen verbunden ist . Es handelt sich um eine umfangreiche Menge , die von der Größe des Systems oder der Menge der darin enthaltenen Substanz abhängt. Die SI-Einheit der inneren Energie ist das Joule (J) . Es ist die im System enthaltene Energie, ausgenommen die kinetische Bewegungsenergie des gesamten Systems und die potentielle Energie des Systems. Mikroskopische Energieformen umfassen solche aufgrund von Rotation , Vibration, Translation und Wechselwirkungenunter den Molekülen einer Substanz. Keine dieser Energieformen kann direkt gemessen oder bewertet werden, es wurden jedoch Techniken entwickelt, um die Änderung der Gesamtsumme all dieser mikroskopischen Energieformen zu bewerten.
Zusätzlich kann Energie in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen gespeichert werden, aus denen die Moleküle bestehen. Dieser Energiespeicher auf atomarer Ebene umfasst Energie, die mit Elektronenorbitalzuständen, Kernspin und Bindungskräften im Kern verbunden ist.
Wärmeenergie kann auch sehr effektiv gespeichert werden. Heutzutage ist die Situation auf den Energiemärkten anders. Die Preiserhöhung der konventionellen Energiequellen und das Umweltbewusstsein haben dazu geführt, dass die Nutzung erneuerbarer Energien und die Energieeffizienz gestiegen sind. Die Speicherung von Wärmeenergie ist eine Schlüsselkomponente eines Kraftwerks zur Verbesserung seiner Versandfähigkeit, insbesondere zur Konzentration von Solarkraftwerken (CSP). Die Speicherung von Wärmeenergie (TES) wird mit sehr unterschiedlichen Technologien erreicht. Es gibt drei Methoden, die verwendet werden und noch untersucht werden, um Wärmeenergie zu speichern.
- Sensible Wärmespeicherung (SHS)
- Latentwärmespeicher (LHS)
- Thermochemische Lagerung
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