بخشی از مقاله
چکیده
یکی از انواع ذخیره انرژی, ذخیره انرژی حرارتی است که می تواند فاصله میان عرضه و تقاضای انرژی را کاهش دهد. انرژی حرارتی می تواند به شکل تغییر در انرژی درونی مواد به روش گرمای محسوس، گرمای نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از این روشها ذخیره شود. در روش ذخیره سازی گرمای محسوس، انرژی حرارتی بوسیله بالا بردن دمای ماده مورد نظر ذخیره می شود. سیستم های ذخیره گرمای محسوس با ظرفیت گرمایی مواد و همچنین تغییر دمای آنها ضمن گرفتن و از دست دادن گرما رابطه مستقیم دارد. ذخیره گرمای نهان برپایه جذب یا آزادسازی گرماست، زمانی که ماده مورد استفاده برای ذخیره انرژی حرارتی دچار یک فرایند تغییرفاز مثلا از جامد به مایع یا مایع به گاز و ... شود. استفاده از سیستم های ذخیره گرمای نهان توسط مواد تغییر فاز دهنده به علت داشتن چگالی بالای انرژی و انجام گرفتن در دمای ثابت بسیار سودمندتر از روش گرمای محسوس است. در این مقاله پس از بررسی این روشها، متریالهای مورد استفاده در هرکدام از این روشها نیز بررسی گردیده اند.
واژههای کلیدی: انرژی حرارتی، ذخیره انرژی، گرمای محسوس، گرمای نهان
مقدمه
توسعه وسایل بهینه و ارزان برای ذخیره انرژی به اندازه توسعه منابع انرژی اهمیت دارد. ذخیره انرژی حرارتی همان ذخیره موقتی گرما در دماهای بالا و پایین است. ذخیره انرژی حرارتی یک مفهوم جدید نیست و برای قرنها مورد استفاده قرار می گرفته است. در واقع ذخیره انرژی می تواند ناهماهنگی میان عرضه و تقاضای انرژی را کاهش دهد و نقش مهمی در حفظ و بقای انرژی ایفا می کند. ذخیره انرژی بوسیله متناسب کردن میزان عرضه، ثبات سیتم های انرژی را افزایش می دهد و اینگونه باعث عملکرد بهتر آنها می شود. برای مثال با داشتن ذخیره انرژی می توان عملکرد یک نیروگاه تولید برق را با تراز کردن بار، بهبود بخشید. بعضی از منابع انرژی تجدید پذیر فقط به صورت دوره ای و متناوب انرژی تولید می کنند. اگرچه خورشید یک منبع ایمن، پاک و فراوان انرژی است ولی این انرژی فقط در دوره هایی از سال و روزهای خاصی قابل دسترسی است. در واقع این انرژی دوره ای و اغلب غیر قابل پیش بینی است و چگالی آن در مقایسه با شارهای چگالی انرژی بعضی سوخت های فسیلی مثل ذغال سنگ پایین تر است و میزان تقاضای آن با توجه به سیکل های سالانه و روزانه پایین تر است. از طرف دیگر انرژی خورشیدی به محض دریافت باید مورد استفاده قرار گیرد، بنابراین ضرورت ذخیره انرژی خورشیدی با توجه به همین موارد احساس می شود.
یکی از مشخصه های مهم یک سیستم ذخیره، مدت زمانی است که طی آن انرژی می تواند بدون افت قابل توجه ذخیره شود. ذخیره انرژی حرارتی ممکن است برای مدت زمان کمی امکان پذیر باشد، زیرا افت های انرژی به شکل تابش، جابجایی و هدایت وجود خواهند داشت. یک ویژگی مهم دیگر سیستم ذخیره، ظرفیت حجمی انرژی یا میزان انرژی ذخیره شده بر واحد حجم است. حجم کمتر سبب ذخیره بهتر می شود. بنابراین یک سیستم خوب باید زمان ذخیره طولانی و حجم بر واحد انرژی کمتری داشته باشد. نکته دیگر که مورد توجه قرار می گیرد این است که مواد چگال تر، حجم های کوچک تری دارند و در صورت بالا بودن ظرفیت گرمایی ویژه جرمی آنها، ظرفیت انرژی بیشتری بر واحد حجم را به خود اختصاص خواهند داد. حجم اشغال شده توسط سیستم های ذخیره یک فاکتور مهم برای این سیستم ها و تعیین اندازه آنهاست که تاثیر مهمی در هزینه صرف شده دارد. در واقع هزینه یکی از مهمترین پارامترها در بهینه سازی سیستم ذخیره است. تکنولوژی ذخیره انرژی حرارتی به نقطه ای رسیده است که اثرات فراوانی روی زندگی انسان میگذارد. شاید غیرصنعتی ترین استفاده از ذخیره انرژی حرارتی ثابت نگه داشتن دمای یک خانه در زمستان باشد. با ظهور انقلاب صنعتی، ذخیره انرژی گرمایی به عنوان شاخه ای از تولید انرژی معرفی گردیده است. ذخیره گرما در نیروگاههای قدرت معمولا به شکل بخار یا آب داغ است و برای مدت زمان کوتاهی امکان پذیر است. به تازگی بعضی روغنها که دمای بالایی دارند به عنوان ماده ذخیره گرما در تجهیزات الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند.
روشهای ذخیره سازی انرژی
به طور کلی انرژی به روشهای مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و حرارتی قابل ذخیره کردن می باشد و هرکدام از انرژی های یاد شده روشهای مختلفی برای ذخیره انرژی دارا می باشند. به عنوان مثال، ذخیره انرژی به روش مکانیکی به صورتهای نیروگاه تلمبه ذخیره، ذخیره سازی هوای فشرده و ذخیره سازی چرخ طیار قابل انجام است که روش چرخ طیار برای مقیاس های کوچک و متوسط و دو روش دیگر برای مقیاس های بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین روش الکتریکی به صورتهای ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا و ذخیره ساز ابرخازن ذخیره می شود در خصوص روش شیمیایی نیز مهمترین و شناخته شده ترین روش استفاده از باتری است. ذخیره انرژی حرارتی که موضوع این تحقیق است به سه شکل امکان پذیر است که در ادامه به آن می پردازیم.
روشهای ذخیره سازی انرژی گرمایی
انرژی گرمایی می تواند به شکل تغییر در انرژی درونی مواد به روش گرمای محسوس، گرمای نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از این روشها ذخیره شود. در شکل (1) انواع روشهای ذخیره انرژی حرارتی بطور خلاصه نشان داده شده است.
3
شکل (1) انواع روشهای ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره ترموشیمیایی
سیستم های ترموشیمیایی بر پایه انرژی آزاد شده یا جذب شده حین شکستن یا بازسازی زنجیره های مولکولی در واکنش های کاملا برگشت پذیر قرار دارند.در این نوع سیستم گرمای ذخیره شده بستگی به مقدار ماده ذخیره سازی، گرمای واکنش و حجم واکنش دارد. در واقع مزیت این روش چگالی انرژی بالای ناشی از واکنش های شیمیایی برگشت پذیر است که بالاتر از سایر روش های ذخیره سازی انرژی است. از جمله موادی که در این روش معمولا مورد استفاده قرار می گیرد می توان به xOxO/xO و آمونیا اشاره کرد.
4
ذخیره گرمای محسوس
در این روش، انرژی حرارتی بوسیله بالا بردن دمای ماده مورد نظر ذخیره می شود. سیستم های ذخیره گرمای محسوس با ظرفیت گرمایی مواد و همچنین تغییر دمای آنها ضمن گرفتن و از دست دادن گرما رابطه مستقیم دارد. مقدار گرمای ذخیره شده بستگی به گرمای ویژه مواد و دمای آنها ضمن ذخیره گرما دارد.
