Sand Battery/pl

▼Grupa badawcza ds. technologii zrównoważonego rozwoju (FAST) na Western University

Wanted! Students to make a distributed future with solar-powered open-source 3-D printing and recycling. Contact Dr. Joshua Pearce - Apply here
Home · Projects & Publications · Methods · Literature reviews · People · Sponsors · News · Free Software · Twitter/X · YouTube · LinkedIn · Github · For kids!

▼Ta strona stanowi przegląd literatury .Feel free to edit this page and add sources and summaries.

Technologia baterii piaskowych: obiecujące rozwiązanie w zakresie magazynowania energii odnawialnej ^{[ 1 ]}

• Piasek: obfity, tani, dostępny, nietoksyczny
• elektrody na bazie piasku--> magazynują i uwalniają energię
• Zastosowanie w małych systemach mieszkalnych i magazynach na poziomie sieci na dużą skalę
• Adv:
  • Wysoka gęstość energii
  • Długi cykl życia
  • Stabilność cyklu
  • Bezpieczeństwo
  • Potencjał magazynowania energii odnawialnej
• Elektrody na bazie piasku --> potencjał w litowo-jonowych i superkondensatorach
• Technologie magazynowania energii na bazie piasku:
  • Magazynowanie energii cieplnej.
  • Magazynowanie energii mechanicznej.
  • Magazynowanie energii elektrochemicznej.
• Materiały wymagane:
  • Piasek
    • nośnik pamięci
    • powinien mieć wysoką przewodność cieplną
    • niska masa termiczna
    • wytrzymywać wysokie temperatury
  • Generatory termoelektryczne
    • Energia cieplna z piasku na energię elektryczną (rozładowanie: do wytwarzania energii elektrycznej, energetyki, ogrzewania pomieszczeń)
    • wybór: temperatura przemiany fazowej i pojemność magazynowania energii.
  • Elektrody/Cewka grzewcza
    • Przenoszenie energii cieplnej pomiędzy piaskiem a generatorem termoelektrycznym
    • folie grafitowe lub metalowe
  • Izolacja
    • Zmniejszenie utraty ciepła podczas ładowania i rozładowywania
    • Poprawia wydajność
  • Źródło ciepła:
    • naładuj baterię i podgrzej piasek
    • Może to być energia słoneczna/ciepło odpadowe z przemysłu/energia cieplna odnawialna/nieodnawialna
  • Pojemnik
    • Mieści wszystko
    • wytrzymują wysokie temperatury i naprężenia cieplne.
• Projekt --> na podstawie ilości wymaganej energii cieplnej i czasu magazynowania
• Wytwarzanie i magazynowanie energii:
  • wiatr / słońce --> elektryczność
  • 30% --> natychmiast zasilić lokalną infrastrukturę
  • 70% -->przechowywać w akumulatorze piaskowym i podgrzewać do 600-1000°C
  • słabsze słońce--> wykorzystaj zmagazynowaną energię
• Opłata:
  • Podgrzewanie do stanu piasku --> zwiększanie temperatury --> do progu --> pełna energia
  • rodzaj piasku i źródło ciepła --> różny czas ładowania
• Wypisać:
  • piasek--> wystawić na działanie radiatora lub urządzenia odprowadzającego ciepło
  • spadek temperatury piasku --> uwalnianie energii w postaci ciepła
  • Rodzaj piasku i temperatura radiatora -> różny czas rozładowania
• Typ baterii piaskowej:
  • Pośrednie magazynowanie ciepła:
    • płyn przenoszący ciepło (przenosi ciepło do i z piasku)
    • praca w wyższej temperaturze
    • duży obszar fizyczny
  • Bezpośrednie magazynowanie ciepła
    • Bezpośredni kontakt ze źródłem ciepła i radiatorem
    • praca w niższych temperaturach
    • kompaktowy
  • Termochemiczne magazynowanie ciepła
    • reakcja chemiczna
    • magazynować więcej energii
    • dłuższy czas ładowania i rozładowywania
  • Hybrydowe magazynowanie ciepła
  • Połączenie bezpośredniego i pośredniego
  • wyższa gęstość energii
  • szybsze ładowanie i rozładowywanie
• Aplikacja
  • Odnawialne magazynowanie
  • Ogrzewanie i chłodzenie
  • Zasilanie awaryjne
• Wyzwania
  • Wydajność --> zależy od materiału/projektu/warunków pracy
  • temperatura pracy
  • powiększać w skali rysunek

Bateria piaskowa: innowacyjne rozwiązanie do magazynowania energii odnawialnej (przegląd) ^{[ 2 ]}

• ZEA --> zamierza korzystać z 7% energii ze źródeł odnawialnych (w szczególności energii słonecznej) --> ale to trudne --> ZEA pozostawia pustynię na piasku
• Skład piasku: dwutlenek krzemu
• Obszary o temperaturze poniżej zera --> obiecujące możliwości magazynowania ciepła słonecznego/ciepła w złożu piaskowym
• Suchy piasek TE--> Wysoka temperatura i energia --> może być stosowany w infrastrukturze obiektów takich jak parkingi
• Dostępne materiały: piasek i skały
• Zainstalowane struktury magazynowania cyklicznego: Niemcy, Kanada, Turcja, Korea, Holandia, Stany Zjednoczone, Finlandia, Francja i Szwajcaria
• Piasek: przechowywanie w temperaturze do 1000 °C, zerowa utrata masy, niższe koszty posiadania i konserwacji, lepsze i stabilniejsze wskaźniki wymiany energii
• medium piaskowe: w pojedynczym zbiorniku słonecznym--> zwiększa roczną średnią dzienną produkcję o 23,8% (w porównaniu do sytuacji bez piasku), utrzymuje energię cieplną przez dłuższy czas, można jej używać zimą (gdy nie ma dostępnej energii słonecznej)
• Zasada:
  • 30% zużytej energii odnawialnej, 70% składowane w piasku --> zwiększ temperaturę do 600-1000
• Składnik baterii:
  • obudowa stalowa--> piasek i rury przesyłowe ciepła
  • Zewnętrzne--> mechanizmy mechaniczne, regulatory, wymienniki ciepła, wentylator
• Działanie:
  • Opłata
  • Składowanie
  • Wypisać
• Mechanizm:
  • Obieg gorącego powietrza wokół piasku --> Odnawialne źródła energii sterują elektrycznym grzejnikiem oporowym, który zwiększa temperaturę powietrza w pobliżu piasku
  • rura wymiany ciepła przez wentylator
  • Gęsta izolacja --> pokrycie --> utrzymanie temperatury
  • Rozładowanie: dmuchanie chłodnym powietrzem -> nagrzewanie -> możliwość wytwarzania pary wodnej
  • PORÓWNANIE RÓŻNYCH SYSTEMÓW TES DOSTĘPNA TABELA
• Wady:
  • Ograniczony zakres temperatur (300-1000)
  • Powolne ładowanie
  • Niska gęstość mocy
  • Użytkowanie gruntów
  • Transport
• Ostatni:
  • optymalizacja wielkości i rozkładu cząstek
• Aplikacja
  • magazynowanie na poziomie siatki
  • urządzenia przenośne
  • systemy zasilania poza siecią
  • ogrzewanie przemysłowe
  • ogrzewanie budynku
  • ogrzewanie miejskie
  • rolnictwo
  • systemy górnicze

Wykorzystanie piasków w technologiach solarno-termicznych ^{[ 3 ]}

• cząstki skał lub minerałów --> krzemionka (kwarc), skalenie, węglany, miki, amfibole, pirokseny --> o średnicy od 0,06 do 2 mm
• 6% powierzchni lądu (6% powierzchni lądu Ziemi w różnych regionach)
  • 2% Ameryka Północna
  • ponad 30% Australia
  • ponad 45% Azja Środkowa
• 11 i 58 dolarów za tonę metryczną
• ciepło właściwe: od 700 do 1000 J/kg◦C
• Przewodność cieplna zależy od porowatości, ziarnistości, zawartości wilgoci i mineralogii
  • mniej porowaty-->wyższe przewodnictwo cieplne
  • Mniejsze cząsteczki --> mniejsze przewodnictwo cieplne
  • nasycone wodą --> wyższa przewodność cieplna
  • Przewodność cieplna kwarcu: 7,7 W/mK
  • pozostałe składniki piasku przewodność cieplna: od 2,5 do 3,6 W/mK
• nietoksyczny, niekorozyjny i niepalny
• Piasek w solarium
  • Magazynowanie energii cieplnej
  • Absorpcja słoneczna
  • Przenoszenie ciepła
  • odpowiednia izolacja cieplna
  • duża powierzchnia --> parowanie wody jako medium parujące
• Destylacja słoneczna
  • promieniowanie słoneczne --> uzyskanie świeżej wody z wody zanieczyszczonej
  • Ograniczenia: niskie plony w ciągu dnia i żadne w nocy
  • z piaskiem
    • wypełnić obszar pod wkładem basenu, sam basen / używając pojemników, takich jak metalowe pudełka, bawełniane torby lub gliniane garnki
    • utrzymywać wyższe temperatury
    • zwiększyć powierzchnię parowania poprzez działanie kapilarne
    • drobny, jednolity piasek lepszy, czarny lepszy, minimalna grubość lepsza, brak poziomu wody powyżej
• Ogrzewanie słoneczne
  • Kolektory słoneczne + nośniki energii cieplnej
  • Wysoka zawartość kwarcu, niska porowatość i wysoka zawartość wilgoci
  • Suchy piasek z niską zawartością kwarcu
• Zbiornik magazynujący energię cieplną
  • Woda: wysoka pojemność cieplna, ale utrata ciepła --> otaczające zbiorniki piaski o niskiej przewodności cieplnej; piaszczysta gleba: niższa pojemność cieplna i przewodność cieplna --> mniejsze straty ciepła ze zbiorników w porównaniu z glebą granitową
  • Wymagać
    • Niska pojemność cieplna i przewodność cieplna
    • Suchy
    • wystarczająca głębokość
• Magazynowanie energii cieplnej w warstwie wodonośnej (ATES)
  • zawierają porowate i przepuszczalne warstwy piasku
  • ciepła woda latem -> wtłaczanie do warstwy wodonośnej -> podgrzewanie gleby i istniejącej wody -> wydobywanie ciepła zimą, np. 72% odzysku w formacji Gassum w Danii
  • Wymagać
    • Wysoka pojemność cieplna i przewodność cieplna
    • Wysoka porowatość i przepuszczalność
• Magazynowanie energii cieplnej w otworach wiertniczych (BTES)
  • ciepło do gruntu za pomocą wymienników ciepła typu U-pipe latem -> ekstrakt zimą
  • piasek o wysokiej zawartości kwarcu i małej porowatości --> dobry na bentonicie lub żwirze
  • O 50% więcej ciepła przez 50% dłuższy czas w porównaniu ze żwirem --> 78% wydajności
  • Belgia: roczna wydajność magazynowania 70%
  • Wymagać
    • wysoka przewodność cieplna i zdolność magazynowania ciepła
• Magazynowanie energii cieplnej w złożu stałym
  • stosować piasek ubity w izolowanych dołach
  • Oszczędności od 64% do 91%
  • 65–75% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową
  • Finlandia
  • Piasek --> wypełniany pojemnikami lub dołkami, przepływ płynu przenoszącego ciepło przez złoże --> Przenoszenie ciepła przy niskim zapotrzebowaniu (lato) i ekstrakt przy wysokim zapotrzebowaniu
  • Wymagać
    • wysoka przewodność cieplna i ciepło właściwe
• Ulepszanie szklarni za pomocą energii słonecznej
  • ściany akumulujące ciepło (ściany Trombego) --> zwiększają temperaturę powietrza i gleby w szklarniach
  • wykonany z: czarnej powierzchni (absorbuje promieniowanie słoneczne, przenosząc ciepło do piasku), piasku i izolacji
  • szklarnie ze ścianami z piasku akumulującego ciepło
    • temperatura powietrza w ciągu dnia -> wzrost o 6,4°C powyżej temperatury otoczenia, temperatura w nocy -> wzrost o 1,1°C
    • Temperatura gleby-->głębokość do 8 cm--> wzrasta o 6,4°C w ciągu dnia i o 4°C w nocy
    • wcześniejsze kwitnienie (o 14 dni), wcześniejsze dojrzewanie (o 20 dni) i wyższe plony (o 33,4%)
• Suszarki słoneczne
  • promieniowanie słoneczne --> suche produkty rolne lub spożywcze
  • kwarc, piasek, żwir, minerały glebowe, piaskowiec, skały, wapień, granit, gleba, glina, odpadowy beton, cegły ogniotrwałe i woda
  • piasek:
    • w komorze suszenia i podgrzewaczu powietrza zasilanym energią słoneczną --> skraca czas suszenia i zapobiega ponownemu wchłanianiu wilgoci w nocy
    • zwiększyć powierzchnię i chropowatość absorbera
    • drobnoziarnisty piasek malowany na czarno i charakteryzujący się wysoką pojemnością cieplną i przewodnością cieplną
• Gotowanie na słońcu
• Koncentrująca się energia słoneczna (CSP)
  • uruchomić blok energetyczny
• Który piasek?
  • Zanieczyszczenia w kwarcu (powinny być poniżej 2%) --> mniejsza gęstość energetyczna
  • Gliny, węglany i skalenie --> aglomeracja, degradacja / zmniejszone ciepło właściwe
    • Gliny --> większa aglomeracja w temperaturze 600°C
    • Węglany --> dekarbonizacja poniżej 800°C --> utrata masy i zmiana rozkładu wielkości ziaren
    • Skalenie --> zeszklenie w temperaturze poniżej 1200°C-->aglomeracja --> wpływ na ruch piasku.
  • Wymagane umiarkowane tempo chłodzenia ~ 573°C
  • Poniżej 1200°C --> kwarc do krystobalitu --> pęknięcie ziarna
• Gazyfikacja słoneczna
  • zgazowanie: materiały zawierające węgiel (takie jak koks, węgiel, biomasa) --> paliwa lub chemikalia
  • Metody konwencjonalne: spalanie części tych surowców --> wytwarzanie ciepła w celu zgazowania --> utrata materiału i emisja CO2
  • energia słoneczna --> ogrzewanie materiału (nie ma potrzeby spalania materiałów) ----> kwarty: odbierają, przenoszą i magazynują ciepło, są obojętne (nie reagują z materiałami) --> wyższa jakość paliwa i mniejsza emisja dwutlenku węgla
  • zmieszaj materiały węglowe z kwarcem --> energia słoneczna pochłania i przekazuje ciepło przez piasek --> podnieś temperaturę (1100) --> rozkład termiczny materiałów węglowych --> produkcja gazu syntezowego
  • wymagać:
    • Wysoka pojemność cieplna i przewodność cieplna
  • Adiabatyczne magazynowanie energii sprężonego powietrza
    • Konwencjonalne: Nadmiar energii elektrycznej spręża powietrze --> magazynowane pod ziemią --> gaz ziemny potrzebny do ponownego podgrzania w razie potrzeby
    • w piasku: ciepło wytwarzane podczas sprężania --> magazynowane --> podgrzewane ponownie sprężone powietrze, gdy jest to wymagane przez piasek
      • Ładowanie: Gorące powietrze --> przez wymiennik ciepła --> przepływ piasku w przeciwnym kierunku --> piasek ciepły, sprężone powietrze zimne
      • Wyładowanie: zimne sprężone powietrze --> przez wymiennik ciepła --> gorący piasek podnosi temperaturę powietrza
      • sprawność cyklu elektrycznego 69%
      • Wysoka przewodność cieplna i ciepło właściwe
• Panele fotowoltaiczne/termiczne
  • PV-->niewielka część promieniowania przekształcana w energię elektryczną --> nadmiar ciepła --> uszkodzenia
  • można przechowywać w piasku --> chłodzi panele i zapobiega przegrzaniu
  • np. piasek pustynny i materiały zmieniające fazę (np. n-oktakozan) --> piasek pustynny lepiej przenosi ciepło
  • najbardziej odpowiednie: wysoka przewodność cieplna i ciepło właściwe
• Stawy słoneczne:
  • aplikacja:
    • Ciepło procesowe przemysłowe
    • Odsolenie
    • Ogrzewanie pomieszczeń
    • Generowanie energii
    • Ogrzewanie szklarni
    • Produkcja soli
  • Strefa górna: woda o niskim zasoleniu -> izolator
  • strefa środkowa (strefa niekonwekcyjna lub haloklina) --> gradient wzrastającego zasolenia wraz ze wzrostem głębokości --> gradient gęstości --> zapobieganie tworzeniu się prądów konwekcyjnych --> zatrzymuje ciepło w warstwie dolnej
  • Strefa dolna: woda o wysokim zasoleniu --> Przechowuje ciepło słoneczne --> temperatura do 85°C (185°F) lub wyższa
  • otaczanie piaskiem dolnej i czwartej dolnej warstwy --> zmniejszanie strat ciepła (69%) i magazynowanie TE
  • piasek o wysokiej przewodności cieplnej i cieple właściwym
• Lodówki zasilane energią słoneczną:
  • dwa metalowe cylindry --> przestrzeń wypełniona piaskiem, nasycona wodą
  • energia słoneczna --> parowanie w celu chłodzenia --> efektywne, dostępne, zrównoważone
• Zalecenia dotyczące luk w badaniach:
• Powłoki na piasek kwarcowy --> poprawiają absorpcję, odporność na duże zużycie mechaniczne i wysokie temperatury do 1000°C

  

Porównawcza analiza CFD materiałów magazynujących energię cieplną w panelach fotowoltaicznych/termicznych ^{[ 5 ]}

• Piasek pustynny (obfity, odporny na zbrylanie, wytrzymuje wysoką temperaturę) i węglik krzemu --> lepsze przenoszenie ciepła
• W badaniu tym: rura miedziana zawierająca strumień wody w prostokątnym materiale o przemianie fazowej (PCM) wystawiona na działanie promieni słonecznych, dodatkowa warstwa absorbująca
• przy zmiennym natężeniu promieniowania słonecznego (od 150 do 1200 W/m2)
• piasek pustynny: temperatura cieczy na granicy wylotowej i maksymalna temperatura matrycy TES są bliższe --> lepsze przenoszenie ciepła
• Związek pomiędzy stałą frakcją PCM a natężeniem promieniowania słonecznego:
• Piasek pustyni zatrzymuje ciepło -->4500 sekund po wyłączeniu przepływu ciepła
• n-oktakozan zatrzymuje ciepło przez dłuższy czas --> magazynuje i uwalnia ciepło przez dłuższy czas --> lepiej sprawdza się, gdy wymagane jest uwalnianie ciepła przez noc

Ekonomiczne magazynowanie energii elektrotermicznej w celu zrównoważenia małych systemów energii odnawialnej ^{[ 6 ]}

• Zakłada 100% zamianę energii elektrycznej na ciepło
• ilość energii elektrycznej (P) potrzebna do naładowania magazynu energii: P=mCp​ΔT​/t
  • m: masa materiału magazynującego ciepło
  • Cp​: średnie ciepło właściwe
  • ΔT: różnica temperatur podczas ładowania
  • t: czas zajęty
• Termiczna do elektrycznej = ηth*sprawność (sprawność w piasku ~85%)
• Szybkość nagrzewania = Moc wyjściowa / Sprawność cieplna do elektrycznej
• Czas spadku temperatury = Energia zmagazynowana/ Szybkość nagrzewania

Ocena wydajności jednostki magazynującej energię piaskową z wykorzystaniem metody powierzchni odpowiedzi ^{[ 7 ]}

• Roczne zużycie energii: ~624 430 TWh
• Ślad węglowy z paliw kopalnych: 36,7 miliarda ton
• Zapotrzebowanie na energię odnawialną w 2019 r.: 6890,7 TWh
• Oczekiwany wzrost o 2493 TWh między 2022 a 2025 r.
• Rodzaje systemów TES:
  • Magazynowanie ciepła jawnego: proste i ekonomiczne.
  • Magazynowanie ciepła utajonego: materiały zmieniające fazę.
  • Magazynowanie termoelektryczne: konwersja energii cieplnej na elektryczną
  • Nośniki danych:
    • skały, woda, olej, sól
    • Sól: musi mieć temperaturę poniżej 600°C
    • Cegły betonowe: w ciągu dnia, poniżej 500°C, zmiany temperatury podczas rozładowania -> obniżenie efektywności cyklu
    • PIASEK:
      • Wysoka pojemność cieplna
      • Wysoka przewodność cieplna
      • opłacalny
      • Długoterminowa stabilność
      • Nietoksyczne i przyjazne dla środowiska
      • Wysoka temperatura
      • Optymalny rozmiar do wymiany ciepła 2–3 mm (większy: zmniejszenie efektywności wymiany ciepła, mniejszy: wzrost spadku ciśnienia -> większa objętość wymiennika ciepła)
• Niniejsze badania:
  • spiralna cewka wykonana z miedzi umieszczona wewnątrz cylindrycznego zbiornika
  • Gorący płyn wlotowy --> do cewki w temperaturach do 200°C
  • Pomiar przewodności cieplnej: urządzenie KD2 Pro Decagon z czujnikiem jednoigłowym TR1 w temperaturze 25°C
  • Pomiar ciepła właściwego: DSC-25, zakres temperatur 25–200°C
  • Pomiar ciężaru właściwego: 1 kg piasku pustynnego i plażowego, wysuszonego do stałej masy (w temperaturze 110 ± 5 ◦C), następnie dodaj 6% wilgoci --> suszenie przez 15-19 godz.
• Wyniki eksperymentów:
  • XRF
    • Piasek pustynny: 13 pierwiastków, wapń 60,96%.
    • Piasek plażowy: 11 pierwiastków, wapń 86,9%.
  • ciepło właściwe
    • wzrastać wraz z temperaturą
    • Cp dla pustyni-->wyższy
    • odwodnienie wodorotlenku wapnia powstałego po obróbce cieplnej w temperaturze 200°C
  • Gęstość
    • Piasek plażowy: gęstszy
  • scenariusz symulacji:
    • Gorący olej --> w temperaturze 100°C i prędkości 0,01 m/s --> przenoszenie ciepła do piasku o temperaturze 25°C, spadek temperatury oleju --> wzrost temperatury piasku i magazynowanej energii
    • zmiana temperatury oleju --> wzrost temperatury piasku i zmagazynowanej energii cieplnej
    • prędkość oleju i liczba zwojów cewki wzrastają --> wzrasta zmagazynowana energia
    • całkowita zmagazynowana energia na kg piasku --> 6,348 kJ/kg po 8-godzinnym ładowaniu.
    • spadek ciśnienia -->71,4 Pa
    • piasek pustynny Przewodność cieplna -->wyższa niż piasek plażowy o 1,77%
    • Opór cieplny piasku plażowego jest wyższy o 29,3% w porównaniu do piasku pustynnego

Poprawa efektywnego przewodnictwa cieplnego złoża piaskowego w systemach magazynowania energii cieplnej ^{[ 8 ]}

• Wstęp:
  • TES--> zamiennik akumulatorów litowo-jonowych w stacjonarnych magazynach energii elektrycznej
  • Piasek--> wysoka odporność termiczna (temperatura topnienia około 1700°C)
  • szeroki zakres temperatur-->zwiększona wydajność cyklu Carnota
  • piasek Wysoka pojemność cieplna --> wysoka gęstość energii, ALE ziarnista forma i punktowy kontakt między ziarnami --> niskie przewodnictwo cieplne
  • Powłoka z piasku kwarcowego --> poprawia absorpcję energii słonecznej i stabilność termiczną oraz zwiększa wydajność magazynowania energii o 60% do 80% w porównaniu z surowym piaskiem
  • Przewodność cieplna piasku bentonitowego -> wzrasta po dodaniu proszku granitowego
  • popularne metody -->bezpośrednie ogrzewanie słoneczne i ogrzewanie przez fluidyzację (krążenie płynów przenoszących ciepło przez wymienniki ciepła w złożach wypełnionych piaskiem)
  • Mieszanie różnych materiałów do magazynowania ciepła --> poprawa właściwości magazynowania
  • Strumienie odpadów --> ekonomiczna opcja materiałowa
    • wyciąć złom metalowy z warsztatów metalowych --> gospodarka o obiegu zamkniętym
• Te badania:
  • Prostokątny pojemnik aluminiowy (wysokość 380 mm, długość 230 mm, szerokość 380 mm) --> zbadaj właściwości termiczne złoża piasku
  • Dwa grzejniki oporowe rurowe (wysokość 298 mm, szerokość 309 mm, średnica 50 mm) --> odległość 95 mm w środku skrzynki --> skrzynka sterownicza 2 kW z regulacją temperatury do 1000 °C
  • Termopary typu K --> pomiędzy grzejnikami (45 ±0,7 mm od każdego grzejnika) i 30 mm od grzejników
  • Podłoże piaskowe -->wystawione na działanie powietrza (T poniżej 26 °C) bez izolacji
  • Połączenie piasku i metalicznych produktów ubocznych (zwiększa przewodność cieplną)
    • Krzemionka brązowa: krzemionka (SiO2), wielkość ziarna 0,06–0,2 mm, temperatura topnienia 1713 °C, ciepło właściwe 703 J/(kg⋅K), przewodność cieplna 0,2–0,7 W/(m⋅K), gęstość objętościowa 1800 kg/m3
    • aluminium: długość od 15 do 20 mm, grubość 0,5 mm, szerokość 1,5 mm, temperatura topnienia 660 °C, ciepło właściwe 897 J/(kg⋅K), przewodność cieplna 205 W/(m⋅K), gęstość 2712 kg/m3
    • mosiądz: średnica 0,25 mm, długość 4,5 mm, temperatura topnienia 900–940 °C, ciepło właściwe 380 J/(kg⋅K), przewodność cieplna 113 W/(m⋅K), gęstość 8430–8730 kg/m3
    • mieszane wióry metalowe: 90% stali, 10% aluminium/ długość 10-15 mm, grubość 0,5 mm, szerokość 1,5 mm/ Tm: 1370-1540 °C/ ciepło właściwe 490 J/(kg⋅K)/ przewodność cieplna 50-70 W/(m⋅K) (różni się w zależności od stopu)/ gęstość: 7850 kg/m³
  • T4: między ścianą a grzejnikiem elektrycznym/ T3: między dwoma grzejnikami elektrycznymi
  • temperatura powierzchni osiąga 500 °C w ciągu 30 min
  • T4: nagrzewa się szybciej niż T3 w ciągu pierwszych 75 minut (17,5 mm bliżej źródła ciepła), a temperatura po 3 godzinach utrzymuje się na poziomie 350°C, a temperatura na zewnątrz elementów grzewczych szybko spada.
  • T3: cieplejsza niż T4 po 80 min, równa się temperaturze powierzchni grzejników po 7 godz. i wolniejszej utracie ciepła do otoczenia oraz pułapce cieplnej/niskiej przewodności cieplnej, dużej pojemności cieplnej piasku --> opóźnienie końcowe w T3
  • Przewodność piasku: 0,114 W/(m⋅K)
  • Symulowany czas ładowania: pięć godzin
  • Warstwa mosiądzu i piasku: najwyższa efektywna przewodność cieplna/większa gęstość i mniej porowata struktura --> niższa przewodność cieplna niż w przypadku aluminium
  • Wióry aluminiowe:
    • Bardziej efektywny w jednorodnej mieszance: wysoka przewodność cieplna
    • 20% aluminium: szybkość nagrzewania 1,7 razy większa niż w przypadku czystego piasku i zwiększa stabilną temperaturę T4 --> wyższa efektywna przewodność cieplna
    • 10% i 5% aluminium ma współczynnik ciepła 1,36 i 1,18 razy większy od czystego piasku
    • Wyższa zawartość aluminium: zwiększona perkolacja i więcej połączeń między nimi --> ułatwia przenoszenie ciepła
    • Niższe stężenie chipów: izolacja chipów, mniej ścieżek przewodzących i niższe przewodnictwo cieplne
    • zwiększa ogólny gradient temperatury złoża piasku
  • wióry mieszane z metalami --> niższa wydajność: wyższa zawartość stali (niższa przewodność cieplna)
  • temperatura na zewnątrz termopar: kompozyt metalowy--> wyższa temperatura niż w przypadku czystego piasku
  • Metalowe wióry: łatwe przenoszenie ciepła --> więcej miejsca do przechowywania
  • Ceny złomu komercyjnego w Finlandii --> Aluminium: 0,7 i Mosiądz: 3,1 i Stal nierdzewna: 0,7

Od odpadów do wartości: wykorzystanie piasku odlewniczego odpadowego w magazynowaniu energii cieplnej jako materiału matrycowego w kompozytach ^{[ 9 ]}

• Wstęp:
  • Odpadowy piasek odlewniczy (WFS) produkt uboczny procesów odlewania metali
  • Charakterystyka WFS: skład ceramiczny, gęstość, wielkość cząstek (0,15 mm < D < 0,6 mm), powierzchnia właściwa
  • Ścieżka recyklingu WFS: kluczowy materiał do kompozytowych materiałów o zmiennej fazie, służący do wychwytywania, magazynowania i ponownego wykorzystywania ciepła odpadowego
• Te badania:
  • Przybory:
    • NaNO3, materiały naturalne, w tym glina, w całości nadające się do recyklingu, bentonit sodowy, odpadowy piasek odlewniczy (materiał matrycy CPCM, główny składnik: SiO2 87,91%, składniki drugorzędne: Al2O3 4,7%, Fe2O3 0,94%), dodatek X (?)
  • Produkcja:
    • Rozdrabnianie w moździerzu i tłuczku (85–95% jednorodnej dystrybucji wielkości ziaren o wielkości od 0,6 mm do 0,15 mm)
    • Mieszanie ręczne
    • Formowanie peletek o średnicy 13 mm pod ciśnieniem 60 MPa przez 2 min.
    • Spiekanie w temperaturze 400 °C, 5 °C/min w wysokiej temperaturze
    • Schłodzenie do temperatury pokojowej w celu uzyskania struktury o stabilnym kształcie
  • Słaba spójność przy stosunku mas 70–30 (WFS-sól) --> niestabilność
  • Dodatek X (?):
    • Właściwości tiksotropowe tworzą żelową matrycę z wodą --> poprawiają wiązanie cząstek WFS
    • Zwiększa odporność CPCM na naprężenia podczas procesu zmiany fazy
  • Testy:
    • Gęstość ziaren piasku: piknometr helowy, 2,51 ± 0,06 g/cm³
    • Gęstość nasypowa: masa i objętość (wymiary) poszczególnych peletek, porowatość wywnioskowana ze stosunku gęstości
    • Ciepło utajone, temperatura topnienia, ciepło właściwe: DSC: Zakres temperatur: od 20 do 400 °C, prędkość narastania: 10 °C/min, tygle aluminiowe, środowisko powietrza otoczenia, szybkość przepływu gazu: 100 ml/min, metoda szafirowa dla ciepła właściwego
    • Przewodność cieplna i dyfuzyjność: technika błysku laserowego, równe powierzchnie próbek, powłoka natryskowa grafitowa, ustawienie przepływu powietrza: 100 ml/min, wzór na przewodnictwo cieplne: λ = a(T)ρ(T)Cp(T)
    • TGA: Masa próbki: ~10 mg, tygiel platynowy, Zakres temperatur: od 25 do 500 °C, szybkość nagrzewania: 10 °C/min, powietrze otoczenia
    • Mikrostruktura i rozkład wielkości porów: nano-TK rentgenowska, Próbki cylindryczne: φ 2 × 15 mm, Napięcie: 95 kV, Prąd: 150 μA, Rozdzielczość pikseli: 9,5 μm, Obrazy projekcyjne w odstępach 0,1°, Obrót o 180°, Analiza danych: Oprogramowanie Recon, Oprogramowanie CTan
    • Współczynnik rozszerzalności cieplnej: dylatometr optyczny, próbki cylindryczne: średnica ~13 mm, ogrzewanie: temperatura otoczenia do 500 °C, szybkość: 5 K/min, środowisko powietrzne
    • Wytrzymałość na ściskanie
    • Protokół cykli termicznych: Wzrost temperatury do 400 °C, utrzymanie przez 30 minut, Obniżenie temperatury do 270 °C, utrzymanie przez 10 minut, Łącznie 48 cykli, Ocena odporności strukturalnej i skuteczności termicznej CPCM z solą WFS
    • ..... (dyskusja)
    • Gęstość magazynowania energii: 628 ± 27 kJ/kg dla Na60, 567 ± 43 kJ/kg dla Na55
    • Średnia przewodność cieplna: o 24% wyższa dla Na60 (1,38 W/mK) niż dla Na55 (1,08 W/mK) ze względu na większą porowatość Na55
    • Wytrzymałość na ściskanie: 141 MPa dla Na60, 105 MPa dla Na55, zależna od porowatości i wielkości porów
    • Większa porowatość korzystna dla CTE CPCM

Akumulator piaskowy magazynujący ciepło ^{[ 10 ]}

• Piasek pustyni może magazynować energię cieplną do 1000 ℃
• 400 ℃ wyższa niż temperatura stopionej soli
• Stopiona sól:
  • konserwacja w celu uniknięcia zatkania
  • Zewnętrzne ciepło potrzebne do utrzymania temperatury powyżej 260 °C
  • 28 000 ton --> na 7,5 godziny składowania
  • 25,2 mln dolarów za nośniki danych
• Te badania:
  • Grzałka elektryczna wybrana jako źródło ciepła
  • Ciepło za pomocą grzałki --> do wymiennika ciepła poprzez płyn przenoszący ciepło (olej)
  • Olej -->w zbiorniku oleju, pompowany rurami do wymiennika ciepła
  • Czujniki temperatury --> monitorują zmiany temperatury piasku
  • Ładowanie: Piasek podgrzewany do pożądanej temperatury (150 °C)
  • Przechowywanie: retencja energii cieplnej piasku w czasie
  • Rozładowywanie:
    • Zimny ​​olej --> przez rury, aby absorbować ciepło piasku
    • Generator termoelektryczny --> energia cieplna na energię elektryczną

Czym jest „bateria piaskowa”? ^{[ 11 ]}

• Pierwsza komercyjna bateria piaskowa: w Kankaanpää, w zachodniej Finlandii (maksymalna temperatura: 600 ℃, choć może być wyższa) -> zintegrowana z siecią ciepłowniczą obsługiwaną przez Vatajankoski (dostawcę zielonej energii)
  • W budynkach mieszkalnych i komercyjnych (domy i baseny)
• Struktura:
  • Izolowany silos ze stalowej obudowy wypełniony piaskiem i rurami przenoszącymi ciepło.
  • Elementy automatyki, zawory, wentylator i wymiennik ciepła lub generator pary.
• Ogrzewanie:
  • Energia elektryczna z sieci lub lokalna produkcja z wiatru i słońca.
  • Opłaty pobierane są w okresach dostępności czystej i taniej energii elektrycznej.
  • Energia elektryczna -->ogrzewanie powietrza za pomocą rezystorów elektrycznych --> poprzez zamkniętą pętlę przewodu powietrznego --> cyrkulowanie przez przewody rurowe do wymiany ciepła --> w celu magazynowania ciepła
• Ekstrakcja:
  • Wdmuchiwanie chłodnego powietrza przez rury --> nagrzewanie
  • stosowany do przetwarzania wody na parę technologiczną/ciepło do ogrzewania sieciowego w wymienniku ciepła powietrze-woda.
• Utrzymuj ciepło przez miesiące, zazwyczaj ładując i rozładowując w cyklach 2-tygodniowych
• Najlepszy zasięg użytkowania przy ładowaniu i rozładowywaniu od 20 do 200 razy w roku
• W „Energia nocy polarnej”:
  • 600 °C, 10 GWh, 100 MW
  • 36% zapotrzebowania na ciepło przemysłowe można zaspokoić za pomocą baterii piaskowych (obecnie opiera się ona na ropie naftowej i gazie)
  • może zaoszczędzić 100 Mt/rok tlenku węgla w 2030 r.
  • może zapewnić energię elektryczną dla około 10 000 osób
• 30% energii słonecznej/wiatrowej -> bezpośrednie wykorzystanie, 70% zmagazynowane w postaci ciepła, mniej niż 10% zapotrzebowania na energię zewnętrzną przez cały rok

Zmiany klimatyczne: „Bateria piaskowa” może rozwiązać duży problem zielonej energii ^{[ 12 ]}

• Długa granica Finlandii z Rosją i wstrzymane dostawy gazu i prądu z powodu przystąpienia Finlandii do NATO --> Obawy dotyczące źródeł ciepła i światła podczas długich, mroźnych zim
• Pierwsza na świecie w pełni działająca bateria piaskowa zainstalowana przez fińskich naukowców --> opracowana przez "Polar Night Energy"
• Elektrownia w zachodniej Finlandii --> 100 ton piasku w szarym silosie
• Trudności w efektywnym przekształcaniu zmagazynowanego ciepła z powrotem w energię elektryczną.

Akumulator piaskowy do magazynowania ciepła ^{[ 13 ]}

• Batsand: Bateria termiczna z generatorem grzewczym i zbiornikiem na piasek.
• przywieź gorący i świeży piasek bezpośrednio do domu
• Ładowanie (za pomocą paneli słonecznych) latem -> ogrzewanie/chłodzenie w razie potrzeby
• potencjał zwrotu inwestycji w ciągu 4-6 lat
• połącz z panelem słonecznym --> Możliwość odłączenia od sieci
  • Moc znamionowa: 1:14 kW, 2: 25 kW
  • Pojemność akumulatora: 1: 12000 kWh, 2: 21000 kWh
  • Odpowiedni rozmiar domu: 1: 300-600 m², 2: 500-1200
  • Rozmiar: 1: 140 cm x 72 cm x 55 cm, 2: 185 cm x 85 cm x 72 cm
  • Waga: 1: 142 kg, 2: 174 kg

Jak bateria piaskowa może zrewolucjonizować domowe magazynowanie energii ^{[ 14 ]}

• Uniwersytet Michigan: 30% całkowitego zużycia energii w gospodarstwach domowych w USA jest przeznaczane na ogrzewanie (podgrzewanie wody: 13%)
• Lawrance Berkeley National Laboratory w USA: 1/5 energii produkowanej w USA -> obciążenie cieplne budynku
• DraKE ląduje w społeczności solarnej --> 2012: 96%, 2015, 2016: 100% ich rocznego ogrzewania pochodzi ze słońca
• TES: dobre wskaźniki sprawności obiegu zamkniętego (RTE) (% energii elektrycznej trafiającej do magazynu) --> 100% RTE: cała zmagazynowana energia może zostać wykorzystana; termodynamicznie niemożliwe
• kwasowo-ołowiowy: 70%, litowo-jonowy: 90%
• piasek: niskie ciepło właściwe, wysoka gęstość: duża pojemność cieplna, brak reakcji chemicznych: brak konieczności konserwacji, temperatura powyżej wrzenia wody
• podgrzej piasek energią słoneczną -> przenieś się do domu z powietrzem
• wyzwanie: rozmiar--> Batsand (7700$ - wzrost do 19000$ wraz z instalacją, magazynowanie energii przy wydajności 92% i 94% RTE) ma niewielkie rozmiary (40m^3), jest podziemny-->budynek 300-400m^2, 10680 kW/h z +30 kW energii słonecznej
• Newton Energy Solution (NES) (5300–6400 USD, 95% RTE) --> pomiędzy TES a podgrzewaczem wody i zbiornikiem buforowym --> podgrzewacz wody, który jest już TES (ale nie może zamienić ciepła na energię elektryczną), objętość wody 590 mm x 1650 mm (214 l) --> 20 kWh (może podgrzać 600 l wody z kranu do 40 °C i 320 l --> 29 kWh
• sprawność spada do 50-70% przy przetwarzaniu ciepła na energię elektryczną

Zrób to sam: GRZEJNIK na baterie piaskowe. Ponad 599F łatwy w wykonaniu ^{[ 15 ]}

• Sprzęt:
  • Wanna stalowa 30 l
  • element grzejny wody--> 300W 12V
  • piasek do zabawy (sprzęt) --> 5-8 kg
  • wymagany jest respirator
  • watomierz
• Metoda:
  • Napełnij do połowy
  • umieść element w środku
  • podłącz miernik w do przewodu elementu
• w ciągu 40 min --> 179°C, w ciągu 50 min --> 290 °C

System magazynowania energii piaskowej do podgrzewacza wody

• Popyt na nowe i efektywne materiały magazynowe.
• Wykorzystanie piasku, występującego w obfitości w Jordanii, jako materiału magazynowego.
• W południowej Jordanii dominuje piasek kwarcowy, zawierający od 95,5% do 98,31% SiO2
• Ciepło właściwe piasku kwarcowego: średnio 830 J/kg°C
• Magazynowana energia proporcjonalna do wzrostu temperatury, ciepła właściwego i masy ośrodka.
• Promieniowanie słoneczne w Jordanii:
  • Średnia roczna: 2080 kWh/m2.
  • Ponad 300 słonecznych dni w roku.
  • Średnie dzienne promieniowanie: 5,7 kWh/m2, przy 8 godzinach słonecznych.
  • Czerwiec i lipiec charakteryzują się największą liczbą godzin słonecznych (prawie 12 godzin) i największą wartością promieniowania (8,2 kWh/m2).
  • Grudzień i styczeń --> najmniejsza aktywność słoneczna (5 godzin dziennie) i najniższe dzienne promieniowanie (2,9 kWh/m2).
  • Optymalizacja kąta nachylenia w zakresie od 10° do 60° zwiększa roczne promieniowanie do 2419 kWh/m2.
  • Najbardziej ekonomiczny i efektywny kąt nachylenia dla instalacji fotowoltaicznej w Jordanii: 30°.
  • Roczne promieniowanie pod tym kątem: 2330 kWh/m2.
• Pogoda w Jordanii:
  • Najcieplejszy miesiąc: lipiec (średnia temperatura 25°C/77°F).
  • Najzimniejszy miesiąc: styczeń (średnia temperatura 8°C/46°F).
  • Parametry wahań temperatury: od 31°C do 4°C przez cały rok.
  • Rzadkie przypadki ekstremalnych temperatur: do 43°C i tak nisko, jak -10°C w różnych regionach Jordanii.
  • Projekt magazynu energii do wykorzystania w nocy jako źródło podgrzewania wody.
  • Standardowa temperatura ciepłej wody: 70°C.
  • Średnie zużycie ciepłej wody na osobę w Jordanii: 40 litrów/dzień.
  • Średnia wielkość gospodarstwa domowego w Jordanii: 5 osób.
  • Łączna ilość wody do ogrzania: 200 litrów (zaokrąglone do 240 litrów).
  • Masa wodna: 240 kg.
  • Ciepło właściwe wody: 4,186 kJ/kg°C.
  • Wymagana temperatura: 80°C (wliczając błąd).
  • Minimalna temperatura w styczniu: 5°C.
  • Różnica temperatur (∆T): 75°C.
  • Wymagana energia (Q):
    • Q=m×Cp​×ΔT=240kg×4,186kJ/kg°C×75°C=75348kJ
  • Najmniej godzin słonecznych dziennie w grudniu: 5 godzin.
  • Najniższe średnie dzienne nasłonecznienie w grudniu: 2,9 kWh/m².
  • Zapotrzebowanie na energię: 75 500 kJ --> 20,98 kWh.
• Piasek krzemionkowy
  • Przewodność cieplna: 0,33 W/m°C.
  • Średnia pojemność cieplna: 0,83 kJ/kg°C
  • ∆T: 75°C
  • m=Q/Cp​×ΔT​-->m=1,213 kg.
  • Gęstość krzemionki: 1,522 kg/m³ --> V= 1 m3
• Projektowanie systemów
  • Zbiornik magazynowy
  • Wymiennik ciepła
    • Głębokość = 60 cm i wysokość = 0,9 m
    • wlot góra, wylot dół

Kalkulator energii słonecznej dla London, Ontario, Kanada ^{[ 16 ]}

• średnia roczna promieniowania słonecznego w London, Ontario: 1547,32 kWh/m2
• średnie dzienne promieniowanie: 4,232 kWh/m2
• Miesiące z największą liczbą dni słonecznych: czerwiec 9,6 godz. i 6,08 kWh/m2, lipiec 10,1 godz. i 6,11 kWh/m2
• Najmniejsza aktywność słońca: 2,3 stycznia i 1,97 kWh/m2, 2,7 grudnia i 1,67 kWh/m2

Klimat i miesięczna prognoza pogody, Londyn, Kanada ^{[ 17 ]}

• Średnia temperatura w najcieplejszym miesiącu: 25,5
• Średnia temperatura w najzimniejszym miesiącu: -8,2