Termisk energilagring:Materiale absorberer varme, når det smelter og frigiver det, når det størkner

MIT-forskere har demonstreret en ny måde at opbevare ubrugt varme fra bilmotorer, industrielle maskiner, og endda solskin, indtil det er nødvendigt. Centralt i deres system er, hvad forskerne refererer til som et "faseskift"-materiale, der absorberer en stor mængde varme, når det smelter og frigiver det, når det størkner igen.

Når den er smeltet og aktiveret af ultraviolet lys, materialet lagrer den absorberede varme, indtil en stråle af synligt lys udløser størkning og varmeafgivelse. Nøglen til denne kontrol er tilføjede molekyler, der reagerer på lys ved at ændre form fra en, der forhindrer størkning, til en, der tillader det. I et proof-of-concept eksperiment, forskerne holdt en prøveblanding i flydende form ned til stuetemperatur - helt 10 grader Celsius under, hvor den skulle være størknet - og derefter, efter 10 timer, brugt en lysstråle til at udløse størkning og frigive den lagrede termiske energi.

Mere end halvdelen af ​​al den energi, der bruges til at drive mekanisk, kemisk, og andre processer udstødes i miljøet som varme. Kraftværker, bilmotorer, og industrielle processer, for eksempel, producere enorme mængder varme, men bruger en relativt lille del af den til rent faktisk at udføre arbejde. Og mens sollys leverer rigelig strålende energi, nutidens solcelleanlæg omdanner kun en brøkdel af det til elektricitet. Resten reflekteres eller absorberes og omdannes til varme, der ikke bliver brugt.

Udfordringen er at finde en måde at lagre al den termiske energi på, indtil vi vil bruge den. Jeffrey Grossman, Morton og Claire Goulder og familieprofessor i miljøsystemer og professor i materialevidenskab og teknik, har arbejdet på det problem i mere end et årti.

En god måde at opbevare termisk energi på er ved at bruge et faseskiftemateriale (PCM) såsom voks. Varm et solidt stykke voks op, og det bliver gradvist varmere – indtil det begynder at smelte. Når det går fra den faste til den flydende fase, det vil fortsætte med at absorbere varme, men dens temperatur vil forblive i det væsentlige konstant. Når det er helt smeltet, dens temperatur vil igen begynde at stige, efterhånden som der tilføres mere varme. Så kommer fordelen. Når den flydende voks afkøles, det vil stivne, og som det gør, det vil frigive al den lagrede faseskiftevarme - også kaldet latent varme.

PCM'er bruges nu i applikationer såsom solar koncentratorer, bygningsvarmesystemer, og solkomfurer til fjerntliggende egne. Men mens PCM'er kan afgive rigelig varme, der er ingen måde at kontrollere præcis, hvornår de gør det. Timingen afhænger af temperaturen i luften omkring dem.

"Du kan oplade et batteri, og den gemmer elektriciteten, indtil du vil bruge den, sige, i din mobiltelefon eller elbil, " siger Grossman. "Men folk er nødt til at varme deres solkomfur op, når solen er fremme, og når de vil lave aftensmad, den kan godt have afgivet al sin oplagrede varme til den kølige aftenluft."

PCM'er har således vist sig at være et meget vellykket middel til at lagre termisk energi, men at få det ud igen på en nyttig måde har været en udfordring. "Det, vi havde brug for, var en trigger, der ville give os kontrol over tidspunktet for varmefrigivelsen, " siger Grossman.

Molekyler, der kan udløse

Et par år siden, Grossman begyndte at spekulere på, om han måske allerede havde den aftrækker, han havde brug for. I beslægtet arbejde, hans gruppe havde studeret lagring af energi i specielle molekyler kendt som fotoswitches.

Lys en vis bølgelængde af lys på en fotoswitch, og dens form vil ændre sig. De samme atomer er til stede, men deres orientering i forhold til hinanden skifter. I øvrigt, de vil forblive i den ændrede konfiguration, indtil de bliver udsat for en anden bølgelængde af lys. Så går de tilbage til deres oprindelige form, frigivelse af termisk energi i processen.

Grossmans gruppe har gjort gode fremskridt med at designe fotoswitches til lagring af energi, men molekylerne har en nøglebegrænsning:De kan kun skiftes til deres energilagrende konfiguration af lys. Som resultat, de kan ikke oplades med spildvarme fra biler eller andre maskiner eller solskin.

Så Grossman og tidligere postdocs Grace Han og Huashan Li fra Institut for Materialevidenskab og Teknik begyndte at undersøge muligheden for at bruge en fotoswitch på en ny måde - som en trigger til at kontrollere frigivelsen af ​​energi fra et faseskiftemateriale.

"Vi kunne skræddersy dets kemi, så det passer rigtig godt til faseskiftematerialet, når det er i én form, men når vi skifter det, det passer ikke længere, " forklarer Grossman.

Hvis det blandes med en smeltet PCM i den uoverensstemmende form, fotoswitchen ville forhindre det i at blive et fast stof - selv under dets normale størkningstemperatur. At skinne en anden bølgelængde af lys kan ændre fotoswitchen tilbage til dens matchende struktur. PCM'en ville derefter størkne, frigiver sin lagrede latente varme.

Proof-of-concept tests

For at undersøge levedygtigheden af ​​denne tilgang, forskerne brugte en konventionel PCM kaldet tridecansyre og forberedte en speciel variation af fotoswitch-molekylet azobenzen, som består af to forbundne ringe af atomer, der kan være i forskellige positioner i forhold til hinanden.

I "trans" form af molekylet, ringene er flade - dens naturligt forekommende grundtilstand. I sin "cis" form, en af ​​benzenringene vippes 56 grader i forhold til den anden, siger forskerne. Den skifter fra den ene form til den anden som reaktion på lys. Lys ultraviolet (UV) lys på den flade version, og det vil vride sig. Giv synligt lys på den snoede version, og det vil flade ud.

Figur 1 i diasshowet ovenfor viser, hvad Grossman kalder den termiske energilagrings- og frigivelsescyklus og illustrerer den rolle, som azobenzen-fotoswitchen spiller som et lavkoncentrations-"doteringsmiddel" (et materiale, der tilføjes for at ændre et stofs egenskaber). Når PCM-azobenzenblandingen, eller komposit, er fast med azobenzen i sin transform, de to bestanddele pakkes tæt sammen. Ved opvarmning, kompositten absorberer termisk energi, og PCM'en smelter. Zapping det med UV-lys ændrer azobenzen-doteringsmidlet fra trans til cis. Når blandingen afkøles, cis azobenzen forhindrer størkning af PCM, så den latente varme forbliver lagret. Belysning med synligt lys skifter azobenzen tilbage til sin transform. Blandingen kan nu størkne, frigiver sin lagrede latente varme i processen.

En række test viste, at deres system fungerede godt. At skinne en ultraviolet lampe (ved en bølgelængde på 365 nanonometer) på den flydende blanding ændrede de fleste af starttrans-azobenzen-molekylerne til deres cis-form. Når den først blev opladet, blandingen størknede ikke selv ved stuetemperatur - helt 10 Celsius under, hvor den ville have haft uden de opladede fotoswitches i blandingen.

Belysning af væsken med synligt lys (450 nm) i 30 sekunder aktiverede størkning og frigivelse af den lagrede latente varme. I øvrigt, i det væsentlige kom al den latente varme ud - lidt eller intet af den var gået tabt på grund af lækage. "Med de tilføjede kontakter, den termiske energi er låst inde, " siger Grossman. "Som et resultat, der kan være mindre behov for den tunge isolering, der bruges til at forhindre varmen i at lække ud af konventionelle PCM'er."

Da forskerne ikke skinnede det synlige lys på deres blanding, de fandt, at det forblev en væske ved temperaturer under dets oprindelige størkningspunkt i 10 timer. Blandingen begyndte så gradvist at størkne, afgiver sin lagrede varme.

For at demonstrere systemets holdbarhed og repeterbarhed, forskerne skiftede det frem og tilbage - mellem opladning og afladning - 100 gange over mere end 50 timer. Under det indledende afladningstrin, krystalliniteten af ​​PCM ændret sig lidt fra udgangsmaterialet, men efter det, dens struktur forblev uændret.

Andre test bekræftede vigtigheden af ​​omhyggeligt at vælge eller designe en fotoswitch, der interagerer effektivt med en specifik PCM. Igen, fotoswitchen skal blandes godt med den flydende PCM for at danne kompositten og skal ændres, når den aktiveres af lys, mellem to forskellige strukturer, der blander sig med eller forstyrrer pakningen af ​​den valgte PCM. Forskerne fandt også ud af, at det er afgørende at optimere koncentrationen af ​​fotoswitchen i PCM. Når den er for lav, det vil ikke forstyrre størkning. Når det er for højt, det ultraviolette lys trænger muligvis ikke helt igennem blandingen, og dopingmolekylerne kan reagere med hinanden, klumper sig sammen i stedet for at fordele godt og forhindrer PCM-pakning.

Grundlæggende om en praktisk enhed

Grossman understreger, at arbejdet indtil videre er et principbevis. "Der er meget arbejde at gøre for at lave applikationer baseret på dette koncept, " han siger.

Men forskerne forestiller sig følgende type anordning:Blandingen ville blive holdt i en beholder med vinduer, der kunne tildækkes for at kontrollere lysindtaget. En varmeveksler ville levere termisk energi fra solen eller en anden kilde til PCM-kompositten, og en separat LED- eller gasudladningslampe ville samtidig sende UV-lys ind gennem de udækkede vinduer for at oplade azobenzen-doteringsmidlet. Vinduerne vil derefter blive dækket til for at muliggøre termisk opbevaring, selvom blandingen faldt til stuetemperatur.

Når varmeafgivelse ønskes, vinduerne ville blive afdækket, og den flydende komposit vil blive udsat for omgivende lys eller blåt LED-lys for en hurtigere reaktion. Vinduerne ville være lavet af almindeligt borosilikatglas, som ville transmittere over 90 procent af det relevante UV og synlige lys, og en omrører inde i beholderen ville hjælpe med at forhindre azobenzen-molekylerne i at klæbe sammen.

film, perler, og forskellige materialer

Grossmans gruppe fortsætter arbejdet med at anvende og forbedre termisk lagringskonceptet. For eksempel, de undersøger dets mulige brug som et nyt system til afisning - et emne af vedvarende interesse for Grossman, som bemærker, at nutidens elbiler bruger så meget batteristrøm til afisning og opvarmning, at deres rækkevidde kan falde med 30 procent i koldt vejr. En langt bedre tilgang ville være at opbevare termisk energi i en tynd, gennemsigtig film og udløser et brag af varme, når det er nødvendigt for at smelte det besværlige lag af is.

"Med det i tankerne, vi ville se, om vi kunne lave tynde film af vores materiale over større områder og få det til at udvise den samme adfærd, som vi så i vores laboratorieprøver, " siger Grossman. De afsatte deres flydende PCM-komposit på en glasplade, læg endnu et ark ovenpå, og forseglede det. De fandt ud af, at de kunne lade blandingen op med UV-lys og derefter aflade den senere med synligt lys, at få den lagrede faseskifteenergi tilbage som varme. I øvrigt, de kunne gøre det selektivt, så en del af filmen størknede, og resten forblev flydende.

Andet arbejde fokuserer på at designe et solkomfur, der kan lagre varme efter solen går ned i længere tid end de 10 minutter, der er typiske for nutidens bedste modeller, som stadig er afhængige af konventionelle PCM'er til opbevaring. En PCM-komposit kunne gøre det bedre, bortset fra en ulempe:Når det går fra fast til flydende, det ændrer sig også i volumen - potentielt nok til at beskadige beholderen.

For at forhindre den adfærd, Cédric Viry, en kandidatstuderende i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og en fellow i Tata Center for Technology and Design, arbejder på at indkapsle kompositten inde i bittesmå perler med skaller lavet af silica eller calciumcarbonat. Den indelukkede komposit vil gennemgå de nødvendige faseændringer, men den stærke skal vil begrænse den massive volumenændring, der sker i en uindskrænket blanding. De indkapslede perler kan suspenderes i andre væsker, og bedre metoder til at levere lys ind i materialerne kunne være mulige. "Når vi får mikroindkapslingen til at virke, der vil være mange flere ansøgninger, " siger Grossman.

Endelig, forskerne udvider deres koncept til forskellige materialer og temperaturområder. "Vi har fundet ud af nogle interessante og vigtige tekniske aspekter af, hvordan systemet fungerer, " siger Grossman. "Isærligt, hvordan PCM'erne og fotoswitches interagerer på molekylært niveau."

Denne grundlæggende forståelse har allerede gjort dem i stand til at udvikle systemer ved hjælp af PCM'er med forskellige molekylære strukturer - især, med kæder i stedet for ringe af atomer – sammen med fotoswitches, der er optimeret til hver enkelt. I fremtiden, Grossman mener, at de burde være i stand til at udvikle systemer, der kan lagre mere termisk energi og kan fungere ved en række forskellige temperaturområder, herunder de lave temperaturer af interesse for biomedicinske og elektroniske applikationer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.