Основные публикации по солнечной энергии

Аккумулятор энергии на основе фазовых превращений

Для аккумулирования энергии могут быть использованы веще­ства, которые претерпевают фазовое превращение в подходящих тем­пературных интервалах. При этом должны удовлетворяться некото­рые критериальные требования. Скрытый тепловой эффект, сопро­вождающий фазовое превращение, должен быть значителен и при боль­шом числе циклов практически неизменным.

Фазовое превращение должно происходить при ограниченном пе­реохлаждении. Способы содержания аккумулирующего вещества, а также методы подвода и отвода тепловой энергии должны быть дос­тупными. И наконец, стоимость аккумулирующего вещества и контей­неров должна быть приемлемой. Если эти требования удовлетворяют­ся, то системы аккумулирования энергии на основе фазовых превра­щений при работе в малых температурных интервалах могут иметь более высокие (по сравнению с аккумулирующими системами тепло - емкостного типа) тепловые емкости и существенно меньшие объемы и веса.

Первым из экспериментально изученных материалов для аккуму ляторов на основе фазовых превращений, применяемых при отопле­нии домов, был Na2S04 • ЮН20, который разлагается при темпера­туре -32° С с образованием раствора и соли Na2SO, имеющей удельную теплоту плавления, равную 243 кДж/кг [171. Уравнение реакции имеет вид

Na2S04- ЮН20+ Энергия j:Na2S04 + ЮН20.

Аккумулирование энергии осуществляется благодаря реакции, протекающей слева направо с поглощением тепла. Общее количество поглощенной энергии зависит от интервала температур, в пределах которого нагревается вещество, поскольку эта энергия включает тепло, необходимое для нагревания соли до температуры фазового

перехода, теплоту плавления, обеспечивающую этот переход, и теп­ло, необходимое для нагревания Na2S04 и раствора до конечной температуры. Отвод энергии от аккумулятора осуществляется благо­даря обратной реакции, протекающей справа налево с обратными тепловыми эффектами.

На практике при использовании этой системы возникают некото­рые трудности. Установлено, что при повторении циклов характеристи­ки системы ухудшаются из-за уменьшения теплоемкости. Как пока­зано на фиг. 9.5.1, й, Na2S04 ■ ЮН20 плавится неконгруэнтно и при нагревании выше температуры плавления распадается на жидкую фа­зу (раствор) и твердую Na2SO. Поскольку плотность соли выше плотности раствора, происходит разделение фаз. Были предприняты попытки предотвратить это разделение фаз с помощью гелей или других агентов.

Существует также ряд других возможностей. В значительной ме­ре эту основную проблему снимает использование вещества с подхо­дящей температурой плавления. Превосходным историческим приме­ром фазового перехода, который веками используется для аккумули­рования "энергии", является таяние льда. С недавнего времени в качестве возможной среды для аккумулирования энергии рассматри­вается парафин. Известны соединения, такие, как Fe(N03) 2. 6Н20, которые плавятся конгруэнтно, т. е. как чистые соединения. Следует также иметь в виду эвтектики. Кауффман и Грюнфест [9] состави­ли ряд рекомендуемых для применения эвтектик, примеры которых представлены в табл. 9.5.1. Фазовые диаграммы конгруэнтно плавя­щихся систем приведены на фиг. 9.5.1, б, а эвтектических смесей — на фиг. 9.5.1, в.

При дальнейшем рассмотрении веществ для аккумулирования энф - гии на основе фазовых превращений следует обратить внимание на возможность переохлаждения при восстановлении энергии. При пе­реохлаждении вещества скрытая теплота плавления может не вос­станавливаться или восстанавливается при температуре существен­но ниже точки плавления. К данному вопросу можно подходить с трех точек зрения: выбирать вещества, у которых нет теаденции к переох­лаждению, добавлять зародышеобразующие агенты или использовать ультразвук для образования центров кристаллизации. Белтон и Эйд - жами [2], которые занимались рассмотрением этого вопроса, от­мечают, например, что основным фактором, определяющим способ­ность расплава переходить в аморфное состояние, а следователь­но, и тенденцию к переохлаждению, является вязкость вещества в точке плавления.

Необходимо тщательно исследовать проблему подвода тепла к веществу, претерпевающему фазовое превращение, и отвода тепла от него. Вещество следует помещать в контейнеры таким образом, чтобы подвод и отвод тепла осуществлялся при минимальном перепа­де температуры. В эксперименте это достигается путем помещения вещества в небольшие контейнеры (цилиндрические сосуды, трубки или лотки), установленные в ящиках или трубах. Теплоноситель (обыч­но воздух) омывает контейнеры снаружи, как в с. лоевой насадке. При рассмотрении внешнего теплообмена контейнеры подобны слоевой насадке. При рассмотрении внутреннего теплообмена необходимо при­нимать во внимание два дополнительных явления: во-первых, нужно учитывать, что скрытая теплота сильно увеличивает эффективную теплоемкость вещества в очень небольшом интервале температур, и,

во-вторых, следует иметь в виду, что термическое сопротивление пе­реносу тепла внутри вещества изменяется по мере его затвердевания и в зависимости от того, нагревается оно или охлаждается. (Тепло­обмен в таких случаях был исследован, например, Ходгинсом и Хоффманом [8], а также Мюррем и Лендисом [14].) Если от веще­ства, претерпевающего фазовое превращение, отводить тепло, то у стенок начнется кристаллизация, которая будет постепенно прони­кать внутрь вещества; к концу кристаллизации тепло будет переда­ваться стенкам сосуда через слои твердого тела. При нагревании за­твердевшего вещества плавление начинается сначала у стенок, а за­тем проникает внутрь вещества по направлению к центру сосуда.

Следует учитывать и другие факторы, такие, как коррозия, по­бочные реакции, давление паров, токсичность и стоимость.