بخشی از مقاله
نقش مواد تغییر فاز دهنده ( (PCM در بازیافت انرژي
چکیده
به سبب رشد مصرف انرژي در جهان و همچنین با توجه به محـدودیت هـاي سـوخت هـاي فسـیلی و پیامد هاي منفی ناشی از به کارگیري آن،طی چند دهه گذشته روش ها و سیستم هـاي تولیـد کننـده انرژي با بازده بالا و آلایندگی کم مورد توجه ویژه ایی قرار گرفته است.عواملی همچون اتلاف انـرژي در مسیرهاي طولانی و هزینه هاي بالاي انتقال انرژي منجر به گرایش محققان به یافتن روش هـایی بـراي تامین انرژي با بازده بالا شده است.امروز همانطور که پیداست صنعت بهره وري از سیسـتم هـاي تولیـد کننده انرژي نو،مانند انرژي خورشیدي،انرژي باد،میکرو توربین هـا،موتور هـاي اسـترلینگ و .. در حـال گسترش است.اما هر کدام از این روش هاي معایب خاص خود را دارد.دست یابی به روشی کـه افـزایش بازده و کاهش هزینه انرژي را در پی داشته و همیشه در دسترس،فراهم و قابل پذیرش باشد بـه انـدازه توسعه منابع تجدید پذیر مهم است.به همین دلیل بهره گیري از سیستم هاي ذخیـره کننـده انـرژي از اهمیت بالایی برخوردار است.این مقوله وقتی مهم جلوه می کند که می بینیم ساختمان ها و سـوله هـا بخش قابل توجهی از مصرف انرژي را به خود اختصـاص داده انـد و در حـوزه صـنعتی بـیش از %55 از انرژي را مصرف می کنند.با توجه به کارائی و قابلیت هـاي بـالاي PCMهـا در سیسـتم هـاي ذخیـره کننده انرژي و همچنین تبدیل شدن بهینه سازي مصرف انـرژي بـه جنبـه مهمـی از مـدیریت انـرژي ضرورت بررسی نقش این مواد در موضوع بازیافت انرژي و بهره برداري بهینه بیشتر می شود.این مقالـه ابتداء به بررسی انواع راهکارهاي ذخیره انرژي و سپس به طور خاص به PCMها،ویژگی و خصوصـیات آنها و همچنین مزایاء آن در قیاس با سایر روش هاي ذخیره کننده انرژي و در نهایت نقـش آنهـا را در بازیافت انرژي می پردازد.
کلمات کلیدي
روش هاي ذخیره سازي انرژي، مواد تغییر فاز دهنده،PCM،سیستم هاي ذخیره کننده انرژي
.1 مقدمه
امروزه مصرف جهانی انرژي در حدود 5.3 x1020 ژول در سال است.[1]با توجه به افزایش جمعیت،رشد اقتصاد و پیش بینی افزایش دو برابري تقاضاء انرژي تا سـال 2050،و همچنـین محـدود بـودن منـابع فسـیلی از نظـر وسـعت جغرافیایی،نیاز مبرم به استفاده از منابع انرژي تجدیدپذیر بیش از پیش آشکار می گردد.در کنار این مسائل بایستی بـه اثر نامطلوب مصرف انرژي هاي فسیلی که % 77 کل انرژي مصرفی جهان را شـامل مـی شـود[2] و افـزایش گازهـاي گلخانه ایی را به دنبال دارد،اشاره کرد که از عمده ترین عوارض گازهاي گلخانه ایی،گرمایش زمین است و موجب تغییر چرخه آب در کره زمین،طوفان هاي شدید و ذوب شدن صخره هاي یخی می گردد و زندگی تمام موجودات زنده اعم از گیاهان،جانوران و انسان ها را به خطر می اندازد.
به همین سبب،جامعه جهانی در پی تدوین و تبویب روش هاي مناسب جهت کاهش آلودگی رو به افزایش گـاز کربنیک از جو زمین برآمده است.اولین روش مناسب براي این منظور،به کارگیري انرژي هسته اي است که از محسنات آن ارزان بودن تولید انرژي الکتریکی از آن،در قیاس با سیستم هاي تولید برق آبی و ایضا سیستم هاي مصـرف کننـده فسیلی است.اما خطرات احتمالی استفاده از این انـرژي کـه بـه طـور اخـص،در فاجعـه چرنوبیـل و فوکوشـیما نمایـان گردید،تلاش ها را براي یافتن رهیافت کم خطر،با بازدهی بالاتر افزایش داد.
در این میان،اکثر محققین در جهان به این نتیجه رسیده اند که بایسته است پایه انرژي از نفت خارج گردیده و تامین آن از طریق انرژي هاي لایزال مانند انرژي هاي بادي،آبی و خورشیدي تحقیق شـود.در اثنـاء تحقیقـات در ایـن زمینه،یکی از نتایج حاصله،پی بردن به این نکته بود کـه تقریبـا کـل منـابع انـرژي در زمـین از خورشـید تـامین مـی شود.تابش متناوب خورشید در طول شبانه روز،ذخیره انرژي گرمایی ناشی از آن را براي کاربرد انرژي گرمایی ضـروري می سازد. البته شایان ذکر است که میانگین انرژي خورشیدي دریافتی 353.1 کیلو وات بر هر متر مربع مـی باشـد و از این مقدار تنها مقدار کمی قابل برداشت است.بطوریکه بالاترین رقم انرژي قابل دریافت از خورشید در حدود یـک کیلـو وات بر متر مربع بوده و آن هم طی دو ساعت و در ظهر هاي گرم تابستانی حاصل گردیده کـه در بیشـتر منـاطق کـره زمین این رقم به 200 وات بر هر متر مربع کاهش می یابد.[3]
از این رو،یکی از راه حل هایی که این روزهاي مورد تحقیق واقع شده و اهمیت آن به اندازه تامین منابع انـرژي می باشد،گسترش سیستم ها و مواد ذخیره کننده انرژي است. اما از چالش هاي پیشروي آن، به کارگیري روش ذخیره انرژي مناسب است.چرا که انتخاب روش ذخیره سازي انرژي مناسب، کاهش یافتن تطابق بین عرضه و تقاضاء، و بهبـود یافتن کارائی و اعتبار سیستم انرژي را به همراه خود خواهد داشت که این امر باعث ذخیره انرژي مازاد و اقتصـادي تـر شدن سیستم به دلیل کاهش اتلاف انرژي و هزینه سرمایه می شود.[4]
.2 روش هاي ذخیره انرژي
هر سیستم ذخیره انرژي بر مبناي 6 خصوصیت اصلی چگالی توان،چگالی انرژي،بـازده سیکل،دشـارژ خـود بـه
خود طول عمر و عمر سیکل بیان می شود.[5]در ادامه برخی از روش هاي ذخیره انرژي را شرح می دهیم:
١.٢. ذخیره انرژی مکانیکی
سیسـتم هــاي ذخیــره انـرژي مکــانیکی مشــتمل بـر ذخیــره انــرژي گرانشـی((PHPS، ذخیــره انــرژي هــواي فشرده((CAES و چرخ دوار((Flywheel می باشد.در مقام قیاس می توان گفت که به ترتیب تکنیـک هـاي PHPS و
CAES براي مقیاس هاي وسیع انرژي مورد استفاده واقع می شوند و حال آنکه Flywheel براي ذخیره هاي متوسـط
مناسب تر است.[6]
٢.٢. ذخیره انرژی ترموشیمیایی
ذخیره انرژي ترموشیمیایی که با نام ذخیره انرژي پیوندي نیز شناخته می شود مربوط به واکنش هاي بازگشت پذیر است که در طی ان بر اثر شکستن یا تغییر فرم پیوندهاي مولکولی انرژي جذب یا رها می شود.در این نوع،گرمـاي
ذخیره شده به سه عامل مقدار ماده ذخیره کننده،گرماي واکنش گرماگیر و اندازه تغییر آن بستگی دارد.
٣.٢.ذخیره انرژی الکﱰیکی
باتري ها نمونه ایی از این نوع سیستم هستند.
.ƒ٢.ذخیره انرژی گرمایی
ذخیره انرژي گرمایی( (TES،به عنوان انرژي گرمایی ذخیره شده موقتی براي مصارف پسین در دماهاي بالا یـا پایین تعریف می شود. TES در سیستم هاي تجدیدپذیر توسعه یافته،توانسـته اسـت کـه مشـکل عـدم حضـور مـداوم خورشید را برطرف کند؛چرا که ذخیره انرژي گرمایی خورشید موجب می شود که در زمان هایی کـه خورشـید حضـور ندارد بتوان از انرژي ذخیره شده استفاده کرد تا برق مورد نیاز ساعات اوج مصرف تامین شود.TES مـی توانـد ظرفیـت استفاده از قدرت گرمایی خورشید را براي واحد هاي صنعتی و کارخانه ها از )%25بدون ذخیـره گرمـایی) تـا %70 بـالا ببرد.[7]ذخیره این نوع انرژي،می تواند توسط انرژي دورنی ماده بـه شـکل هـاي گرمـاي محسـوس،گرماي نهـان،ترمو شیمیایی و یا ترکیبی از اینها ذخیره شود. در این مقاله دو صورت زیر به بحث گذاشته می شود:
.ƒ٢.١. ذخیره گرمای ﳏسوس((SHS
این نوع ذخیره توسط افزایش دماي جامد یا مایع صورت می گیرد.مقدار انرژي محسوس ذخیره شده در جسـم تابعی از دما،ظرفیت گرمایی ویزه و مقدار جسم می باشد.آب به سبب ارزانی و بالا بـودن ظرفیـت گرمـاي ویژه،یکـی از بهترین مواد جهت ذخیره محسوس انرژي می باشد.ولی در دماهاي بالاي 1000 درجه سلسیوس روغن،فلـزات و نمـک هاي مذاب جایگزین آن می شوند.
.ƒ٢.٢.ذخیره گرمای ان((LHS
در این نوع اساس کار بر جذب یا رها سازي گرما هنگام تغییر فاز ماده از جامد به مایع و.. است.مقـدار گرمـاي ذخیره شده به جرم و گرماي نهان نیز بستگی دارد.قابل ذکر است که در این روش فرآیند تغییر فـاز ایزوترمـال اسـت و یکی از دلائل جذابیت این روش نسبت به سایر روش ها،خصوصیت ذخیره انرژي در دماي ثابـت اسـت.از دیگـر دلائـل، قابلیت ایجاد چگالی بالاي ذخیره انرژي،(یکی از 6 ویژگی مذکور براي سیستم هاي ذخیره انرژي) است.
٣.تغییر فاز
در سال 1938،ابهت[8] دسته بندي مفیدي براي مواد ذخیره ساز انـرژي گرمـایی ارائـه داد کـه در( شـکل( 1 آورده شده است.
شکل(:(1دسته بندي ابهت از مواد ذخیرساز انرژي[8]
همانطور که از (شکل (1 دیده می شود و در قبلتر هم بدان اشاره گردید،اساس کار ذخیره گرماي نهان بر مبناي تغییر فاز ایزوترمال است.تغییر فاز می تواند به حالات: جامد-جامد، جامد-مایع،جامد-گاز،مایع-گاز و بالعکس باشد.در تبدیل جامد-جامد،به هنگامه تغییر حالت بلورین ماده،گرما ذخیره می شود. در حالت کلی این تغییر گرماي نهان و تغییر حجم کمتري نسبت به تبدیل هاي جامد-مایع دارد.از مزایاء آن می توان به کمتر سخت بودن و انعطاف پذیري بیشتر محفظه هاي نگهداري در طراحی اشاره کرد.اما از طرفی این تغییر فاز بسیار کند بوده و انرژي حرارتی زیادي منتقل نمی کند. تعداد کمی از مواد به عنوان تغییر فاز دهنده جامد-جامد شناخته می شوند.
تغییر فازهاي جامد-گاز ئ مایع-گاز با وجود داشتن گرماي نهان تغییر فاز زیاد، به دلیل تغییر حجم زیاد آنها در هنگام تغییر فاز و همچنین بالا بودن فشار مورد نیاز براي ذخیره گاز، کاربرد لازم و مطلوب را در سیستم هاي ذخیره کننده انرژي نخواهند داشت.
تغییر فاز جامد-مایع،هر چند گرماي نهان نسبت به مایع-گاز کمتر است،اما کمتر بودن تغییر حجم آن(در حدود (%10،کاربردپذیري آن در سیستم هاي ذخیره سازي انرژي افزایش داده و از منظر اقتصادي جاذبه بیشتري جهت بررسی خواهد داشت.[9]این تغییر فاز در واقع از پیوند هاي شیمیایی براي ذخیره و آزاد سازي انرژي حرارتی استفاده می کند.
بنابراین شالوده اصلی روش ذخیره گرماي نهان بر پایه ماده تغییر فاز دهنده که به اصطلاح مواد تغییر فاز دهنده نامیده می شود بنا نهاده شده است.انتقال حرارت بالا بدون تغییر محسوس دما باعث شده است تا مواد تغییر فاز دهنده به عنوان یکی از روش هاي جالب براي ذخیره انرژي گرمایی در فرآیند هاي عملی مطرح شود.
…„.ƒاد تغییر فاز دهنده(PCMح
همانطور که قبلا گفته شد،ماده تغییر فاز دهنده انرژي را به صورت گرماي نهان ذوب ذخیره می کند.این مواد به میزان 5 الی 14 برابر موادي مانند سنگ یا آب که به صورت محسوس می توانند اانرژي را در خود ذخیره کنند، ذخیره می کنند.شارما و همکارانش[10]نشان دادند که قبل از انتخاب PCM می بایست از تامین شدن نکات زیر
حصول اطمینان کرد:
(1خواص حرارتی: داشتن دماي تغییر فاز مناسب،گرماي نهان تغییر فاز بالا،انتقال حرارت خوب (2خواص فیزیکی: تعادل فاز مطلوب،چگالی بالا،تغییر حجم کم،فشار بخار پایین،تغییر فاز برگشت پذیر (3خواص سینتیکی:نداشتن عدم فوق تبرید شدن،نرح تبلور کافی (4خواص شیمیایی:پایداري شیمیایی بلند مدت،سمی نبودن،عدم خطر اشتعال (5خواص اقتصادي:در دسترس بودن،قیمت مناسب،قابلیت بازیافت
درباره عدم فوق تبرید شدن بایستی گفت که این پدیده زمانی رخ می دهد که در آن دما PCM، به صورت قابل توجهی به زیر دماي ذوب می رسد تا زمانیکه ماده شروع به انجماد و آزاد سازي گرما کند.(شکل (2 اگر به این دما نرسیم،PCM ابدا منجمد نشده و فقط گرماي محسوس را ذخیره می کند.
انتخاب نوع PCM بستگی به کاربرد و دماي طراحی سیستم دارد.دماي عملکرد سیستم جهت گرمایش یا سرمایش بایستی متناسب با دماي تغییر فاز PCM باشد.ظرفیت بالاي ذخیره سازي انرژي حرارتی سبب میسر شدن ساخت ذخیره کننده هاي کوچک گردیده است و این ویژگی باعث کاربردي تر شدن این سیستم ها در مراکز صنعتی و تجاري که با محدودیت ابعادي مواجه هستند،شده است. هر چه گرماي نهان ذوب وچگالی PCM بالاتر باشد ابعاد سیستم ذخیره کننده کوچک تر خواهد شد که این امر خود کمتر شدن تغییرات حجم به هنگام تغییر فاز با فشار بخار پایین را به دنبال دارد و نگرانی ها در مورد بروز مشکلات زیست محیطی را کاهش می دهد.
