مواد تغییر فاز دهنده جدید استفاده شده برای تبدیل مستقیم فتوگرمایی

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) :

مواد تغییر فاز دهنده جدید استفاده شده برای تبدیل مستقیم فتوگرمایی و ذخیره‌­سازی حرارتی کارآمد

چکیده

تبدیل ذاتی تابش خورشیدی به طور جدی بر پایداری انتقال انرژی مواد تبدیل فتوگرمایی معمولی تأثیر می­‌گذارد. مواد تغییر فاز دهنده تبدیل فتوگرمایی می‌­توانند مکانیسم­‌های تبدیل فتوگرمایی و تبدیل فاز را برای تحقق ذخیره یا آزادسازی انرژی خورشیدی در دمای ثابت با انتقال فاز ترکیب نمایند که می­‌تواند به طور موثر بر ناپایداری تابش خورشیدی در زمان و مکان غلبه نماید. در این مقاله، پارافین به عنوان ماتریس تغییر فاز انتخاب شد و در عین حال تقویت­‌کننده رسانایی حرارتی (گرافیت منبسط شده) و تقویت­‌کننده تبدیل فتوگرمایی (نانوذرات دوده صنعتی) با نفوذ خلاء ثانویه برای تهیه مواد تغییر فاز دهنده پارافین/گرافیت منبسط شده/دوده صنعتی برای تبدیل مستقیم فتوگرمایی اضافه شدند. در نتیجه، هدایت حرارتی بسیار کم و ظرفیت جذب طیف ضعیف پارافین به ترتیب با گرافیت منبسط شده و نانوذرات دوده صنعتی بر اساس حفظ خواص تبدیل فاز عالی پارافین تا حد زیادی بهبود می‌یابند. هنگامی که محتوای نانوذرات دوده صنعتی 10 درصد وزنی باشد هدایت حرارتی ایزوتروپیک ماده تهیه شده در فاز جامد و تبدیل فاز به ترتیب به 10/54 W/mK و 20/53 W/mK می‌­رسد که در مقایسه با پارافین خالص 31/94 برابر و 96/76 برابر افزایش یافته است. در همین حال، راندمان تبدیل فتوگرمایی ذاتی مربوطه و راندمان ذخیره­‌سازی حرارتی موثر به ترتیب تا 60/1٪ و 97/3٪ است.

نتیجه­‌گیری

به منظور ذخیره سریع مقدار زیادی از انرژی حرارتی حاصل از تبدیل کارآمد فتوگرمایی، PT-PCMها باید عملکرد ذخیره حرارتی برجسته، هدایت حرارتی و ظرفیت جذب طیف کامل را به طور همزمان داشته باشند. در این پژوهش با هدف عیوب هدایت حرارتی پایین و ظرفیت جذب طیف ضعیف PA، به طور خلاقانه محیط متخلخل با رسانایی حرارتی بالا (EG) و تقویت تبدیل فتوگرمایی(N-CB)  را از طریق نفوذ خلاء ثانویه به PA اضافه شد که یک سری NPT-PCM به دست آمد. بر اساس حفظ خواص تبدیل فاز PA، هدایت حرارتی و ظرفیت جذب طیف کامل آن تا حد زیادی افزایش یافته است. نتایج اصلی به شرح زیر است:

(1) هیچ واکنش شیمیایی در بین PA، EG و N-CB وجود ندارد، بنابراین خواص تبدیل فاز PA حفظ می‌شود. گرمای نهان ذوب و گرمای نهان انجماد قابل توجه NPT-PCMs2، NPT-PCMs1 و NPT-  PCMs3 به ترتیب 150/0 J/g 142/6 ،J/g145/9 ،J/g و 149/7 J/g 144/3 J/g و 142/0 J/g است که می‌­تواند چگالی انرژی کافی را در طول ذخیره­‌سازی/انتشار حرارتی تضمین نماید.

(2) پس از اولین نفوذ خلاء مسیر انتقال حرارت سریع در PA به دلیل افزودن EG تشکیل می‌­شود و  PA/EG λ_S آماده شده به 14/4 W/mK می­رسد. با افزایش دما، λ_P و λ_L PA/EG یک روند نزولی نشان می‌­دهد که به دلیل کاهش λ PA با فرآیند تغییر فاز جامد-مایع است.

(3) هنگامی که NPT-PCMها از طریق نفوذ خلاء ثانویه تشکیل می­‌شوند، تغییر رسانایی حرارتی در حالت­‌های فاز مختلف آن­‌ها برخلاف PA/EG است.NPT-PCMs2، λp NPT-PCMs1 و NPT-PCMs3 به ترتیب به 20/53 W/mK، 15/12 W/mK و 10/06 W/mK می‌­رسد که به دلیل تغییر حالت تماس حرارتی و تقویت حرکت براونی در مایع، بالاتر از λ_S مربوطه آنهاست. در همین حال،  NPT-PCMs2،λ_L NPT-PCMs1 و NPT-PCMs3 به دلیل حرکت براونی شدیدتر ناشی از دمای بالا، بسیار بالاتر است.

(4) پس از نفوذ خلاء دوم، NPT-PCMs2،λ_S NPT-PCMs1 و NPT-PCMs3 به ترتیب به 3/6 W/mK، 6/46  W/mK و 8/37 W/mK نسبت به PA/EG به دلیل تشکیل لایه تبدیل فتوگرمایی N-CB کاهش می­‌یابد. در حالی که λ_P  و همچنین NPT-PCMs2، NPT-PCMs1 λ_L و NPT-PCMs3 نسبت به PA/EG به دلیل حرکت براونی N-CB اضافه شده افزایش یافته است. در این میان،  NPT-PCMs2،λ_P NPT-PCMs1 و NPT-PCMs3 به ترتیب 10/64 W/mK، 5/23 W/mK و 0/17 W/mK افزایش یافته و λ مربوطه به ترتیب 13/89 W/mK 8/42 ،W/mK و 4/39 W/mK در مقایسه با PA/EG افزایش یافته است. λ NPT-PCMs با افزایش محتوای N-CB در هر فاز کاهش یافت.

(5) ظرفیت جذب طیف کامل NPT-PCMها زمانی که N-CB روی سطح ذرات PA/EG پس از نفوذ خلاء ثانویه پوشش داده می­‌شود، به ویژه در نواحی مرئی و مادون قرمز نزدیک که تأثیر قابل توجهی بر تبدیل فتوگرمایی دارند، بسیار افزایش می­‌یابد. مدل ریاضی ایجاد شد و η_p و η_T برای مشخص نمودن راندمان تبدیل فتوگرمایی و عملکرد ذخیره‌سازی حرارتی NPT-PCMs1 انتخاب‌شده با توجه به فرآیند انتقال حرارت واقعی در طول آزمایش تبدیل فتوگرمایی تعریف شدند. η_p و NPT-PCMs1 η_T به ترتیب 60/1% و 97/3% در رقابت هستند.

دانلود فایل : مواد تغییر فاز دهنده جدید استفاده شده برای تبدیل مستقیم فتوگرمایی و ذخیره­سازی حرارتی کارآمد

Reference:

Luo, Xiaohang, et al. "A novel phase change materials used for direct photothermal conversion and efficient thermal storage." Solar Energy Materials and Solar Cells 251 (2023): 112142.‏

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112142

ترجمه و ویرایش: دانیال ابراهیم زاده