Вы когда-нибудь спасались от летней жары, накрывая голову мокрым полотенцем? Если да, то вы получили пользу от материала с фазовым переходом (PCM): вещества, которое высвобождает или поглощает энергию при переходе между двумя фундаментальными состояниями материи, такими как твердое, жидкое или газообразное состояния. Ваше влажное полотенце охлаждает вас, потому что вода — это PCM, который поглощает тепло при испарении, другими словами, при переходе из жидкого состояния в газообразное.
Экспериментальный аппарат, показывающий поршень, используемый для приложения давления к PCM внутри контейнера; источник тепла (грелки) находится внизу. Предоставлено: Инженерный колледж Грейнджера, Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн.
Способность PCM поглощать и высвобождать энергию в последнее время привлекла больше внимания из-за перехода общества от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии , которые доступны лишь время от времени. Поскольку ночью солнечный свет недоступен, а ветер меняется, мы не можем улавливать их энергию именно тогда, когда она нам нужна; скорее, нам нужны способы сохранить его для будущего использования. PCM являются многообещающими решениями для хранения, но на сегодняшний день их использование ограничено, казалось бы, неразрешимыми техническими проблемами.
Теперь, как подробно описано в статье, только что опубликованной в Nature Energy , одна из серьезных проблем была преодолена благодаря удивительно простой идее, открывающей двери для более широкого использования PCM для энергоэффективного отопления и охлаждения.
Ненад Милькович, один из авторов, а также доктор философии. советник ведущего автора Вучена Фу, объясняет, что любая система хранения тепловой энергии (TES) имеет два важных показателя: «Первый — это плотность энергии , то есть количество энергии, которое вы можете хранить на единицу объема или на единицу массы; затем… … плотность мощности , то есть скорость, с которой вы можете извлечь эту энергию из этой системы на единицу объема или на единицу массы». Высокие уровни обоих желательны, но большинство систем либо имеют высокую плотность энергии, но низкую плотность мощности (например, кусок льда), либо высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии (например, кусок металла).
«В классическом понимании люди справляются с этим — более тридцати-сорока лет — смешивают то и другое. Они создают композиты, часть объема которых составляет металл или металлическая матрица, помогающие проводить тепло и достичь хорошей удельной мощности», — говорит он. «Но компромисс заключается в том, что они теряют материал для хранения, и поэтому в процессе они жертвуют плотностью энергии».
«Что делает наш метод, — объясняет Милькович, — так это то, что он полностью разделяет две составляющие», т . е. плотность энергии и плотность мощности.
Их понимание заключалось в том, что приложение легкого давления к плавящемуся PCM может решить проблему, просто удерживая PCM рядом с источником тепла, который его плавит.
Раньше для достижения перехода из твердого состояния в жидкое использовался стационарный источник тепла для плавления примыкающего к нему стационарного блока PCM. По мере того как тепло расплавляло ближнюю сторону PCM, этот «фронт плавления» PCM отступал от источника тепла, а увеличивающееся расстояние между источником тепла и сжимающимся PCM приводило к уменьшению удельной мощности и все более неэффективной системе.
Эксперименты, обсуждаемые в статье, продемонстрировали эффективность нового подхода.
Милькович говорит, что новое решение было вдохновлено низкотехнологичным наблюдением, что вы можете помочь кусочку масла растопиться на горячей сковороде, если нажмете на него, вместо того, чтобы просто бросить его и ждать. «Наш главный вклад здесь — это не причудливый материал или какая-то дорогая система! На самом деле это простота», — говорит он.
«Хранение тепла уже давно представляет интерес для исследователей, но пока еще не используется во многих приложениях», — отмечает соавтор Уильям Кинг. «Нам действительно нужна высокая мощность, чтобы сделать ее действительно привлекательной и полезной для требовательных приложений, таких как электромобили, производство электроэнергии и центры обработки данных. Наша работа позволяет достичь аккумулирования тепла при высокой мощности , которая ранее была невозможна».
Дополнительная информация: Wuchen Fu et al, Материалы с динамическим фазовым переходом высокой мощности и плотности энергии с использованием плавления в тесном контакте с усилением давления, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-00986-y
