Termiskt batteri

Termiskt batteri
Typ	Energi
<a i=1>Arbetsprincip ‍	Termodynamik
Uppfunnet	Värmepumpar, som används av GHEX som avbildas ovan, uppfanns på 1940-talet av Robert C. Webber.
Första produktionen	Värmepumpar tillverkades först på 1970-talet.

Ett värmeenergibatteri är en fysisk struktur som används för att lagra och frigöra värmeenergi — se även lagring av värmeenergi . Ett sådant termiskt batteri (aka TBat) gör att energi tillgänglig vid ett tillfälle kan lagras tillfälligt och sedan frigöras vid en annan tidpunkt. De grundläggande principerna som är involverade i ett termiskt batteri förekommer på atomnivå av materia, där energi tillförs eller tas från antingen en fast massa eller en vätskevolym som gör att ämnets temperatur ändras. Vissa termiska batterier innebär också att ett ämne får en termisk övergång genom en fasövergång som gör att ännu mer energi lagras och frigörs på grund av fusionens deltaentalpi eller förångningens deltaentalpi .

Historia om termiska batterier

Termiska batterier är mycket vanliga och inkluderar sådana bekanta föremål som en varmvattenflaska . Tidiga exempel på termiska batterier inkluderar sten- och lerkaminer, stenar placerade i eldar och ugnar. Medan spisar och ugnar är ugnar, är de också termiska lagringssystem som är beroende av att värmen hålls kvar under en längre tid.

Typer av termiska batterier

Termiska batterier delas i allmänhet in i 4 kategorier med olika former och tillämpningar, även om i princip alla är till för lagring och återvinning av värmeenergi. De skiljer sig också åt i metod och täthet för värmelagring. ^{[ citat behövs ]}

Fasbyte termiskt batteri

Fasändringsmaterial som används för termisk lagring kan lagra och frigöra betydande termisk kapacitet vid den temperatur som de ändrar fas. Dessa material väljs utifrån specifika applikationer eftersom det finns ett brett temperaturintervall som kan vara användbart i olika applikationer och ett brett spektrum av material som ändrar fas vid olika temperaturer. Dessa material inkluderar salter och vaxer som är speciellt framtagna för de applikationer de tjänar. Förutom tillverkade material är vatten ett fasförändringsmaterial. Vattnets latenta värme är 334 joule/gram. Fasförändringen av vatten sker vid 0 °C (32 °F).

Vissa applikationer använder den termiska kapaciteten hos vatten eller is som kylförvaring; andra använder den som värmelagring. Det kan tjäna båda applikationerna; is kan smältas för att lagra värme och sedan frysas igen för att värma en miljö som är under fryspunkten (att sätta flytande vatten vid 0 °C i en sådan miljö värmer den miljön mycket mer än samma ismassa vid samma temperatur, eftersom den latenta värmen av frysning utvinns från det, vilket är anledningen till att fasändringen är relevant), eller vatten kan frysas för att "förvara kallt" och sedan smältas för att göra en miljö över fryspunkten kallare (och återigen kommer en given ismassa vid 0 °C att ge mer kylande än samma vattenmassa vid samma temperatur). ^{[ citat behövs ]}

Fördelen med att använda en fasförändring på detta sätt är att en given materialmassa kan absorbera en stor mängd energi utan att dess temperatur ändras. Därför kan ett termiskt batteri som använder en fasändring göras lättare, eller mer energi kan läggas in i det utan att höja den inre temperaturen oacceptabelt. ^{[ citat behövs ]}

Inkapslat termiskt batteri

Ett inkapslat termiskt batteri liknar fysiskt ett termiskt fasförändringsbatteri genom att det är en begränsad mängd fysiskt material som värmes upp eller kyls för att lagra eller utvinna energi. I ett inkapslat termiskt batteri utan fasbyte ändras emellertid ämnets temperatur utan att inducera en fasändring. Eftersom en fasändring inte behövs finns många fler material tillgängliga för användning i ett inkapslat termiskt batteri. ^{[ citat behövs ]}

En av nyckelegenskaperna hos ett inkapslat termiskt batteri är dess volymetriska värmekapacitet (VHC), även kallad volymspecifik värmekapacitet . Typiska ämnen som används för dessa termiska batterier inkluderar vatten, betong och våt sand. ^{[ citat behövs ]}

Ett exempel på ett inkapslat termiskt batteri är en varmvattenberedare med ackumulatortank. Detta termiska batteri laddas vanligtvis långsamt under en period på cirka 30–60 minuter för snabb användning vid behov (t.ex. 10–15 minuter). Många verktyg, som förstår vattenvärmarnas "termiska batteri"-karaktär, har börjat använda dem för att absorbera överskott av förnybar energi när de är tillgängliga för senare användning av husägaren. Enligt den ovan citerade artikeln kan "nettobesparingar för elsystemet som helhet vara 200 $ per år per värmare - av vilka en del kan föras vidare till dess ägare".

Forskning om att använda sand som värmelagringsmedium har bedrivits i Finland, där en prototyp av sandbatteri har byggts för att lagra förnybar sol- och vindkraft som värme, för senare användning som fjärrvärme, och eventuell senare elproduktion.

Okapslade termiska batterier

GHEX termiskt batteri

En jordvärmeväxlare (GHEX) är ett område på jorden som används som ett säsongs-/årscykel termiskt batteri. Dessa termiska batterier är områden på jorden i vilka rör har placerats för att överföra värmeenergi; de är "oinkapslade" i den meningen att målområdet inte är isolerat från resten av den omgivande jorden. Energi tillförs GHEX genom att en vätska med högre temperatur körs genom rören och därmed höjer temperaturen på den lokala jorden. Energi kan också tas från GHEX genom att köra en vätska med lägre temperatur genom samma rör.

GHEX termiska batterier implementeras vanligtvis i två former. Bilden ovan visar vad som är känt som en "horisontell" GHEX där grävning används för att placera en mängd rör i en sluten slinga i marken. De bildas också genom att borra borrhål i marken, antingen vertikalt eller horisontellt, och sedan förs rören in i form av en sluten slinga med en "u-böj"-koppling längst ut på slingan. Dessa borrade GHEX termiska batterier kallas också ibland "borrhåls termiska energilagringssystem".

Värmeenergi kan läggas till eller tas bort från ett GHEX termiskt batteri när som helst. De används dock oftast som säsongsbetonad termisk energilagring som arbetar på en årscykel där energi utvinns från en byggnad under sommarsäsongen för att kyla en byggnad och läggs till GHEX. Sedan utvinns samma energi senare från GHEX under vintersäsongen för att värma upp byggnaden. Denna årliga cykel av energitillskott och -subtraktion är mycket förutsägbar baserat på energimodellering av byggnaden som betjänas. Ett termiskt batteri som används i detta läge är en förnybar energikälla eftersom energin som utvinns på vintern kommer att återställas till GHEX nästa sommar i en ständigt upprepad cykel. Denna typ är soldriven eftersom det är värmen från solen på sommaren som tas bort från en byggnad och lagras i marken för att användas under nästa vintersäsong för uppvärmning. Det finns två huvudmetoder för termisk responstestning som används för att karakterisera värmeledningsförmågan och termisk kapacitet/diffusivitet för GHEX termiska batterier—Log-Time 1-Dimensional Curve Fit och nyligen släppt Advanced Thermal Response Testing.

Ett bra exempel på årscykelkaraktären hos ett termiskt GHEX-batteri kan ses i ASHRAE Building-studien. Som framgår av grafiken "Ground loop and Ambient Air temperatures by date" (Figur 2-7), kan man enkelt se den sinusformade årscykelns form av marktemperaturen eftersom värme säsongsmässigt extraheras från marken på vintern och kasseras till mark på sommaren, vilket skapar en "termisk laddning" under en säsong som inte är oladdad och drivs åt andra hållet från neutral till en senare säsong. Andra mer avancerade exempel på markbaserade termiska batterier som använder avsiktliga termiska mönster för brunnhål är för närvarande under forskning och tidig användning. ^{[ citat behövs ]}

Andra termiska batterier

Inom försvarsindustrin benämns primära smältsaltbatterier "termiska batterier". De är icke-uppladdningsbara elektriska batterier som använder en lågsmältande eutektisk blandning av joniska metallsalter (natrium-, kalium- och litiumklorider, bromider, etc) som elektrolyt, tillverkad med salterna i fast form. Så länge salterna förblir fasta har batteriet en lång hållbarhet på upp till 50 år. När den väl har aktiverats (vanligtvis av en pyroteknisk värmekälla ) och elektrolyten smälter är den mycket pålitlig med hög energi- och effekttäthet. De används i stor utsträckning för militära tillämpningar som små till stora styrda missiler och kärnvapen. ^{[ citat behövs ]}

Det finns andra föremål som historiskt har kallats "termiska batterier", såsom energilagrande värmepaket som skidåkare använder för att hålla händer och fötter varma (se handvärmare ). Dessa innehåller järnpulver fuktigt med syrefritt saltvatten som snabbt korroderar under en period av timmar och avger värme när de utsätts för luft. Omedelbar kalla förpackningar absorberar värme genom en icke-kemisk fasförändring, såsom genom att absorbera det endotermiska lösningsvärmet av vissa föreningar.

Den gemensamma principen för dessa andra termiska batterier är att reaktionen inte är reversibel. Dessa batterier används alltså inte för att lagra och hämta värmeenergi.

Se även