Sand Battery/sk

▼Výskumná skupina pre bezplatnú vhodnú technológiu udržateľnosti (FAST) na Western University

Hľadáme študentov, ktorí by vytvorili distribuovanú budúcnosť pomocou solárnej open-source 3D tlače a recyklácie. Kontaktujte Dr. Joshuu Pearcea - Prihláste sa tu
Domov · Projekty a publikácie · Metódy · Prehľady literatúry · Ľudia · Sponzori · Novinky · Voľný softvér · Twitter/X · YouTube · LinkedIn · Github · Pre deti!

▼Táto stránka je prehľadom literatúry . Neváhajte ju upraviť a pridať zdroje a súhrny.

Technológia pieskových batérií: Sľubné riešenie pre skladovanie obnoviteľnej energie ^{[ 1 ]}

• Piesok: hojný, lacný, dostupný, netoxický
• elektródy na báze piesku --> ukladanie a uvoľňovanie energie
• Použitie v malých rezidenčných systémoch až po rozsiahle úložiská na úrovni siete
• Reklama:
  • Vysoká hustota energie
  • Dlhá životnosť
  • Stabilita cyklu
  • Bezpečnosť
  • Potenciál pre skladovanie obnoviteľnej energie
• Elektródy na báze piesku --> potenciál v lítium-iónových batériách a superkondenzátoroch
• Technológie skladovania energie na báze piesku:
  • Akumulácia tepelnej energie.
  • Mechanické skladovanie energie.
  • Elektrochemické skladovanie energie.
• Potrebné materiály:
  • Piesok
    • pamäťové médium
    • mal by mať vysokú tepelnú vodivosť
    • nízka tepelná hmotnosť
    • odolávať vysokým teplotám
  • Termoelektrické generátory
    • Premena tepelnej energie v piesku na elektrickú energiu (výboj: na výrobu elektriny, v energetickom priemysle, na vykurovanie priestorov)
    • výber: teplota fázovej zmeny a kapacita akumulácie energie.
  • Elektródy/Vyhrievacia cievka
    • Prenos tepelnej energie medzi pieskom a termoelektrickým generátorom
    • grafitové alebo kovové fólie
  • Izolácia
    • Znížte tepelné straty pri nabíjaní a vybíjaní
    • Zlepšuje efektivitu
  • Zdroj tepla:
    • nabiť batériu a zohriať piesok
    • Môže byť solárna/odpadové teplo z priemyslu/obnoviteľná/neobnoviteľná tepelná energia
  • Kontajner
    • Drží všetko
    • odolávať vysokým teplotám a tepelnému namáhaniu.
• Návrh-->na základe množstva požadovanej tepelnej energie a doby skladovania
• Výroba a skladovanie energie:
  • vietor / solárna energia --> elektrina
  • 30 % –> okamžite napájať miestnu infraštruktúru
  • 70 % --> uložte do pieskového akumulátora a zohrejte na 600 – 1 000 °C
  • slabšia slnečná energia --> využitie uloženej energie
• Poplatok:
  • Zahrievanie piesku --> zvýšenie teploty --> až do dosiahnutia prahovej hodnoty --> plná energia
  • typ piesku a zdroj tepla --> rôzny čas nabíjania
• Výpustenie:
  • piesok--> vystaviť chladiču alebo zariadeniu, ktoré odvádza teplo
  • pokles teploty piesku --> uvoľnenie energie ako tepla
  • Typ piesku a teplota chladiča --> rôzny čas vybíjania
• Typ piesočnej batérie:
  • Nepriame akumulovanie tepla:
    • teplonosná kvapalina (prenos tepla do a z piesku)
    • prevádzka pri vyššej teplote
    • veľká fyzická stopa
  • Priame akumulovanie tepla
    • Priamy kontakt so zdrojom tepla a chladičom
    • prevádzka pri nižších teplotách
    • kompaktný
  • Termochemické akumulovanie tepla
    • chemická reakcia
    • ukladať viac energie
    • dlhší čas nabíjania a vybíjania
  • Hybridné akumulovanie tepla
  • Kombinácia priameho a nepriameho
  • vyššia hustota energie
  • rýchlejšie nabíjanie a vybíjanie
• Aplikácia
  • Obnoviteľné skladovanie
  • Teplo a chladenie
  • Núdzové záložné napájanie
• Výzvy
  • Účinnosť --> závisí od materiálu/konštrukcie/prevádzkových podmienok
  • prevádzková teplota
  • zvýšiť rozlíšenie

Piesková batéria: Inovatívne riešenie pre skladovanie obnoviteľnej energie (recenzia) ^{[ 2 ]}

• SAE --> sa zameriavajú na využívanie 7 % svojej energie z obnoviteľných zdrojov (najmä solárnej energie)--> ale náročné --> piesok v púšti SAE
• Zloženie piesku: oxid kremičitý
• Oblasti s teplotou pod bodom mrazu --> perspektívne solárne teplo/akumulácia tepla na báze pieskového lôžka
• Suchý pieskový TE--> Vysoká teplota a vysoká energia --> Možno použiť v infraštruktúre zariadení, ako sú parkoviská
• Dostupné materiály: piesok a kamene
• Inštalované cyklické skladovacie štruktúry: Nemecko, Kanada, Turecko, Kórea, Holandsko, Spojené štáty, Fínsko, Francúzsko a Švajčiarsko
• Piesok: skladovateľnosť do 1000 °C, nulová strata hmotnosti, znížené náklady na vlastníctvo a údržbu, zlepšené a stabilné výmenné kurzy energie
• pieskové médium: v jednej nádrži solárna energia --> zvyšuje ročný priemer denného výkonu o 23,8 % (v porovnaní s bez piesku), udržiava tepelnú energiu dlhší čas, možno ju používať počas zimy (keď nie je k dispozícii solárna energia)
• Princíp:
  • 30 % využívaných obnoviteľných zdrojov, 70 % uskladnených v piesku --> zvýšiť teplotu na 600 – 1000 °C
• Súčasť batérie:
  • oceľové puzdro--> potrubie na prenos piesku a tepla
  • Externé--> mechanické mechanizmy, regulátory, výmenníky tepla, ventilátor
• Prevádzka:
  • Poplatok
  • Skladovanie
  • Výpust
• Mechanizmus:
  • Cirkulácia horúceho vzduchu okolo piesku --> Obnoviteľné zdroje energie ovládajú odporový elektrický ohrievač na zvýšenie teploty vzduchu v blízkosti piesku
  • teplosmenná trubica ventilátorom
  • Hustá izolácia --> kryt --> udržiavanie teploty
  • Výpust: fúkanie studeného vzduchu --> zahrievanie --> môže naparovať vodu
  • POROVNANIE RÔZNYCH DOSTUPNÝCH TABUĽOK TESTOVACÍCH SYSTÉMOV
• Nevýhoda:
  • Obmedzený teplotný rozsah (300 – 1000 °C)
  • Pomalé nabíjanie
  • Nízka hustota výkonu
  • Využívanie pôdy
  • Doprava
• Nedávne:
  • optimalizovať veľkosť a distribúciu častíc
• Aplikácia
  • úložisko na úrovni mriežky
  • prenosné zariadenia
  • nezávislé napájacie systémy
  • priemyselné vykurovanie
  • vykurovanie budovy
  • diaľkové vykurovanie
  • poľnohospodárstvo
  • ťažobné systémy

Použitie pieskov v solárnych termálnych technológiách ^{[ 3 ]}

• častice hornín alebo minerálov --> oxid kremičitý (kremeň), živec, uhličitany, sľudy, amfiboly, pyroxény --> s priemerom 0,06 až 2 mm
• 6 % zemského povrchu (6 % zemského povrchu v rôznych regiónoch)
  • 2 % Severná Amerika
  • viac ako 30 % Austrália
  • viac ako 45 % Strednej Ázie
• 11 a 58 dolárov za metrickú tonu
• merná tepelná kapacita: medzi 700 a 1000 J/kg◦C
• Tepelná vodivosť závisí od pórovitosti, zrnitosti, obsahu vlhkosti a mineralógie
  • menej pórovitá--> vyššia tepelná vodivosť
  • Menšie častice --> menšia tepelná vodivosť
  • nasýtené vodou --> vyššia tepelná vodivosť
  • Tepelná vodivosť kremeňa: 7,7 W/mK
  • tepelná vodivosť ostatných zložiek piesku: od 2,5 do 3,6 W/mK
• netoxický, nekorozívny a nehorľavý
• Piesok v solárnom systéme
  • Skladovanie tepelnej energie
  • Solárna absorpcia
  • Prenos tepla
  • tepelná izolácia vhodná
  • veľká plocha povrchu --> odparovanie vody ako odparovacie médium
• Solárna destilácia
  • slnečné žiarenie --> získavanie sladkej vody zo znečistenej vody
  • Obmedzenie: nízky výnos počas dňa a žiadny v noci
  • s pieskom
    • vyplňte priestor pod vložkou umývadla, samotnú nádrž /pomocou nádob ako kovových krabíc, bavlnených vrecúšok alebo nádob na blato
    • udržiavať vyššie teploty
    • zväčšiť plochu odparovacieho povrchu kapilárnym pôsobením
    • jemný, rovnomerný piesok lepší, čierny lepší, minimálna hrúbka lepšia, žiadna výška vody nad
• Solárne vykurovanie
  • Solárne termálne kolektory + médiá na akumuláciu tepelnej energie
  • Vysoký obsah kremeňa, nízka pórovitosť a vysoký obsah vlhkosti
  • Suchý piesok s nízkym obsahom kremeňa
• Akumulácia tepelnej energie v nádrži
  • Voda: vysoká špecifická tepelná kapacita, ale tepelné straty --> Okolie nádrží s pieskom s nízkou tepelnou vodivosťou; Piesočnatá pôda: nižšia tepelná kapacita a tepelná vodivosť --> menšie tepelné straty z nádrží v porovnaní s žulovou pôdou
  • Vyžadovať
    • Nízka špecifická tepelná kapacita a tepelná vodivosť
    • Suchý
    • dostatočná hĺbka
• Skladovanie tepelnej energie v zvodnenej vrstve (ATES)
  • obsahujú pórovité a priepustné pieskové vrstvy
  • horúca voda v lete --> vstrekovanie do zvodnenej vrstvy --> ohrievanie pôdy a existujúcej vody --> odoberanie tepla v zime, napr. 72 % výťažnosť vo formácii Gassum v Dánsku
  • Vyžadovať
    • Vysoká tepelná kapacita a tepelná vodivosť
    • Vysoká pórovitosť a priepustnosť
• Skladovanie tepelnej energie vo vrtoch (BTES)
  • teplo do zeme pomocou U-rúrkových výmenníkov tepla v lete --> odvod tepla v zime
  • Piesok s vysokým obsahom kremeňa a nízkou pórovitosťou --> dobrý na bentonit alebo štrk
  • O 50 % viac tepla za o 50 % dlhšiu dobu v porovnaní so štrkom --> účinnosť 78 %
  • Belgicko: ročná účinnosť skladovania 70 %
  • Vyžadovať
    • vysoká tepelná vodivosť a schopnosť akumulácie tepla
• Skladovanie tepelnej energie v balenom lôžku
  • v izolovaných jamách použite piesok s uduseným lôžkom
  • Úspory od 64 % do 91 %
  • 65 – 75 % potrieb teplej úžitkovej vody
  • Fínsko
  • Piesok --> naplnené v nádobách alebo jamách, prúdenie teplonosnej kvapaliny cez lôžko--> Prenos tepla s nízkou spotrebou (leto) a odber s vysokou spotrebou
  • Vyžadovať
    • vysoká tepelná vodivosť a špecifická tepelná kapacita
• Vylepšenie solárneho skleníka
  • tepelnoakumulačné steny (Trombeho steny) --> zvyšujú teplotu vzduchu a pôdy v skleníkoch
  • vyrobené z: začierneného povrchu (absorbuje slnečné žiarenie a prenáša teplo do piesku), piesku a izolácie
  • skleníky s pieskovými tepelnoakumulačnými stenami
    • Denná teplota vzduchu stúpne o 6,4 °C nad okolitú teplotu, nočná teplota stúpne o 1,1 °C
    • Teplota pôdy --> hĺbka do 8 cm --> stúpne o 6,4 °C počas dňa a o 4 °C v noci
    • skoršie kvitnutie (o 14 dní), skoršia zrelosť (o 20 dní) a vyššie výnosy (o 33,4 %)
• Solárne sušičky
  • slnečné žiarenie --> suché poľnohospodárske alebo potravinárske produkty
  • kremeň, piesok, štrk, pôdne minerály, pieskovec, skaly, vápenec, žula, pôda, hlina, odpadový betón, šamotové tehly a voda
  • piesok:
    • v sušiacej komore a solárnom ohrievači vzduchu --> skrátenie času sušenia a zabránenie opätovnej absorpcie vlhkosti v noci
    • zväčšiť povrchovú plochu a drsnosť absorbéra
    • jemný piesok s čiernym náterom a vysokou špecifickou tepelnou kapacitou a tepelnou vodivosťou
• Solárne varenie
• Koncentrácia solárnej energie (CSP)
  • spustiť energetický blok
• Ktorý piesok?
  • Nečistoty v kremeňi (mali by byť pod 2 %) --> nižšia hustota energie
  • Íly, uhličitany a živce --> aglomerácia, degradácia / znížená špecifická tepelná kapacita
    • Íly --> vyššia aglomerácia pri 600 °C
    • Uhličitany --> dekarbonizácia pod 800 °C--> strata hmotnosti a zmenené zloženie veľkosti zŕn
    • Živce --> vitrifikujú sa pod 1200 °C--> aglomerácia --> vplyv na pohyb piesku.
  • Vyžaduje sa mierna rýchlosť ochladzovania ~ 573 °C
  • Pod 1200 °C --> kremeň až kristobalit --> trhlina v zrne
• Solárne splyňovanie
  • splyňovanie: uhlíkaté materiály (ako koks, uhlie, biomasa) --> palivá alebo chemikálie
  • Konvenčné metódy: spaľovanie niektorých z týchto surovín --> výroba tepla na splyňovanie --> strata materiálu a emisie CO2
  • solárna energia --> ohrieva materiál (nie je potrebné spaľovať materiály) ----> litre: prijímajú, prenášajú a ukladajú teplo a sú inertné (nereagujú s materiálmi) --> vyššia kvalita paliva a nižšie emisie uhlíka
  • zmiešanie uhlíkových materiálov s kremeňom --> slnečná energia absorbuje a prenáša teplo pieskom --> zvýšenie teploty (1100 °C) --> tepelný rozklad uhlíkových materiálov --> výroba syntézneho plynu
  • vyžadujú:
    • Vysoká špecifická tepelná kapacita a tepelná vodivosť
  • Adiabatické skladovanie energie stlačeným vzduchom
    • Konvenčné: Prebytočná elektrina stláča vzduch --> ukladá sa v podzemí --> zemný plyn je potrebný na ohrev v prípade potreby
    • v piesku: teplo generované počas kompresie --> uskladnenie --> opätovné ohriatie stlačeného vzduchu, keď ho piesok vyžaduje
      • Nabíjanie: Horúci vzduch --> cez výmenník tepla --> prúdenie piesku v opačnom smere --> teplý piesok, stlačený vzduch studený
      • Výstup: studený stlačený vzduch --> cez výmenník tepla --> horúci piesok zvyšuje teplotu vzduchu
      • účinnosť elektrického cyklu 69 %
      • Vysoká tepelná vodivosť a špecifická tepelná kapacita
• Solárne fotovoltaické/tepelné panely
  • PV – malý zlomok žiarenia na elektrinu --> prebytok na teplo --> poškodenie
  • dá sa skladovať v piesku --> Chladí panely a zabraňuje prehriatiu
  • napr.: púštny piesok a materiály s fázovou zmenou (napr. n-oktakozán) --> Púštny piesok s lepším prenosom tepla
  • najvhodnejšie: vysoká tepelná vodivosť a špecifická tepelná kapacita
• Solárne jazierka:
  • aplikácia:
    • Priemyselné procesné teplo
    • Odsoľovanie
    • Vykurovanie priestorov
    • Výroba energie
    • Vykurovanie skleníkov
    • Produkcia soli
  • Horná zóna: voda s nízkou slanosťou --> izolant
  • stredná zóna (nekonvektívna zóna alebo haloklína) --> gradient zvyšujúcej sa slanosti s rastúcou hĺbkou --> gradient hustoty --> zabránenie vzniku konvekčných prúdov --> zachytáva teplo v spodnej vrstve
  • Dolná zóna: voda s vysokým obsahom soli --> akumuluje slnečné teplo --> teplota do 85 °C (185 °F) alebo vyššia
  • obalenie piesku v spodnej a okolitej spodnej vrstve --> zníženie tepelných strát (o 69 %) a uloženie TE
  • piesok s vysokou tepelnou vodivosťou a špecifickou tepelnou kapacitou
• Solárne chladničky:
  • dva kovové valce --> priestor medzi nimi vyplnený pieskom nasýtený vodou
  • solárna energia --> odparovanie na chladenie --> efektívne, dostupné, udržateľné
• Odporúčanie pre medzery vo výskume:
• Nátery na kremenný piesok--> zlepšujú absorpciu, odolnosť voči vysokému mechanickému opotrebeniu a vysokým teplotám až do 1000 °C

  

Porovnávacia CFD analýza materiálov na akumuláciu tepelnej energie vo fotovoltaických/tepelných paneloch ^{[ 5 ]}

• Púštny piesok (hojný, odolný voči zhlukovaniu, odoláva vysokým teplotám) a karbid kremíka --> vylepšený prenos tepla
• Táto štúdia: medené potrubie obsahujúce prúd vody v obdĺžnikovom materiáli s fázovou zmenou (PCM) vystavenom slnečnému žiareniu, dodatočná absorpčná vrstva
• pri rôznych úrovniach slnečného žiarenia (v rozmedzí od 150 do 1 200 W/m2)
• púštny piesok: teplota kvapaliny na výstupnej hranici a maximálna teplota matrice TES sú si bližšie --> lepší prenos tepla
• Vzťah medzi pevnou frakciou PCM a slnečným žiarením:
• Púštny piesok si udržiava teplo --> 4 500 sekúnd po vypnutí tepelného toku
• n-oktakozán si dlhšie uchováva teplo -> ukladá a uvoľňuje ho počas dlhšieho obdobia -> je lepší, keď je potrebné uvoľňovať teplo cez noc

Nákladovo efektívne elektrotermálne skladovanie energie na vyváženie malých systémov obnoviteľnej energie ^{[ 6 ]}

• Predpokladá 100 % premenu elektriny na teplo
• množstvo elektriny (P) potrebné na nabitie zásobníka energie: P=mCp​ΔT​/t
  • m: hmotnosť tepelnoakumulačného materiálu
  • Cp​: priemerná merná tepelná kapacita
  • ΔT: teplotný rozdiel počas nabíjania
  • t: čas potrebný na
• Tepelný na elektrický = ηth*účinnosť (účinnosť v piesku ~ 85 %)
• Tepelný výkon = Výkon / Tepelná účinnosť na elektrickú účinnosť
• Čas potrebný na pokles teploty = Uskladnená energia / Tepelný výkon

Vyhodnotenie výkonu jednotky na ukladanie energie v piesku pomocou metodiky odozvovej plochy ^{[ 7 ]}

• Ročná spotreba energie: ~624 430 TWh
• Uhlíková stopa z fosílnych palív: 36,7 miliardy ton
• Dopyt po obnoviteľnej energii v roku 2019: 6890,7 TWh
• Očakávaný nárast o 2 493 TWh medzi rokmi 2022 a 2025
• Typy systémov TES:
  • Rozumné skladovanie tepla: Jednoduché a nákladovo efektívne.
  • Latentné skladovanie tepla: materiály s fázovou zmenou.
  • Termoelektrické skladovanie: premena medzi tepelnou a elektrickou energiou
  • Pamäťové médiá:
    • skaly, voda, olej, soľ
    • Soľ: Musí mať teplotu pod 600 °C
    • Betónové tehly: cez deň, pod 500 °C, zmeny teploty počas vybíjania --> zníženie účinnosti cyklu
    • PIESOK:
      • Vysoká tepelná kapacita
      • Vysoká tepelná vodivosť
      • nákladovo efektívne
      • Dlhodobá stabilita
      • Netoxický a šetrný k životnému prostrediu
      • Vysoká teplota
      • Optimálna veľkosť pre prenos tepla 2–3 mm (väčšia: zníženie účinnosti prenosu tepla, menšia: zvýšenie tlakovej straty --> väčší objem výmenníka tepla)
• Tento výskum:
  • špirálová cievka vyrobená z medi vložená do valcovej nádrže
  • Horúca vstupná kvapalina --> do cievky s teplotami do 200 °C
  • Meranie tepelnej vodivosti: Prístroj KD2 Pro Decagon s jednoihlovým senzorom typu TR1 pri 25 °C
  • Meranie špecifickej tepelnej kapacity: DSC-25, teplotný rozsah 25–200 °C
  • Meranie špecifickej hmotnosti: 1 kg púštneho a plážového piesku, vysušený na konštantnú hmotnosť (pri 110 ± 5 °C), potom pridaná 6 % vlhkosť --> sušiť 15 – 19 hodín.
• Experimentálne výsledky:
  • XRF
    • Púštny piesok: 13 prvkov, vápnik 60,96 %.
    • Plážový piesok: 11 prvkov, vápnik 86,9 %.
  • špecifická tepelná kapacita
    • zvyšovať sa s teplotou
    • Cp pre púšť-->vyššia
    • dehydratácia hydroxidu vápenatého vytvoreného po tepelnom spracovaní pri 200 °C
  • Hustota
    • Plážový piesok: hustejší
  • scenár pre simuláciu:
    • Horúci olej --> pri 100 °C a rýchlosti 0,01 m/s --> prenos tepla do piesku s teplotou 25 °C, zníženie teploty oleja --> zvýšenie teploty piesku a uloženej energie
    • zmena teploty oleja --> zvýšenie teploty piesku a uloženej tepelnej energie
    • zvýšenie rýchlosti oleja a závitov cievky --> zvýšenie uloženej energie
    • celková uložená energia na kg piesku --> 6,348 kJ/kg po 8 hodinách nabíjania.
    • pokles tlaku -->71,4 Pa
    • Tepelná vodivosť púštneho piesku --> vyššia ako u plážového piesku o 1,77 %
    • Tepelný odpor plážového piesku --> o 29,3 % vyšší v porovnaní s púštnym pieskom

Zlepšená efektívna tepelná vodivosť pieskového lôžka v systémoch akumulácie tepelnej energie ^{[ 8 ]}

• Úvod:
  • TES--> náhrada lítium-iónových batérií v stacionárnych úložiskách elektrickej siete
  • Piesok--> vysoká tepelná odolnosť (bod topenia okolo 1700 °C)
  • široký teplotný rozsah --> Zvýšená účinnosť Carnotovho cyklu
  • piesok Vysoká špecifická tepelná kapacita --> vysoká hustota energie, ALE granulárny tvar a bodový kontakt medzi zrnami --> nízka tepelná vodivosť
  • Povlak z kremenného piesku --> zlepšuje absorpciu slnečného žiarenia a tepelnú stabilitu a zvyšuje účinnosť skladovania energie o 60 % až 80 % v porovnaní so surovým pieskom
  • tepelná vodivosť bentonitového piesku --> zvýšte pridaním žulového prášku
  • bežné metódy-->Priame solárne vykurovanie a vykurovanie fluidizáciou (cirkulácia teplonosných kvapalín cez výmenníky tepla v pieskových vrstvách)
  • Miešanie rôznych materiálov na akumuláciu tepla --> zlepšenie akumulačných vlastností
  • Toky odpadových materiálov --> možnosť ekonomických materiálov
    • rezanie kovového odpadu z kovospracujúcich dielní --> obehové hospodárstvo
• Tento výskum:
  • Obdĺžniková hliníková nádoba (výška 380 mm, dĺžka 230 mm, šírka 380 mm) --> skúmajte tepelné vlastnosti pieskového lôžka
  • Dva rúrkové odporové ohrievače (výška 298 mm, šírka 309 mm, priemer 50 mm) --> 95 mm od seba v strede skrinky --> 2 kW ovládacia skrinka zapnutia/vypnutia a regulácia teploty do 1000 °C
  • Termočlánky typu K --> medzi ohrievačmi (45 ±0,7 mm od každého ohrievača) a 30 mm od ohrievačov
  • Pieskové lôžko --> vystavené vzduchu (T pod 26 °C) bez izolácie
  • Kombinácia piesku a kovových vedľajších produktov (zlepšenie tepelnej vodivosti)
    • Hnedý oxid kremičitý: oxid kremičitý (SiO2), veľkosť zŕn 0,06 až 0,2 mm, bod topenia 1713 °C, merná tepelná kapacita 703 J/(kg⋅K), tepelná vodivosť 0,2 až 0,7 W/(m⋅K), objemová hmotnosť 1800 kg/m3
    • hliník: dĺžka 15 až 20 mm, hrúbka 0,5 mm, šírka 1,5 mm, bod topenia 660 °C, merná tepelná kapacita 897 J/(kg⋅K), tepelná vodivosť 205 W/(m⋅K), hustota 2712 kg/m3
    • mosadz: priemer 0,25 mm, dĺžka 4,5 mm, teploty topenia 900 až 940 °C, merná tepelná kapacita 380 J/(kg⋅K), tepelná vodivosť 113 W/(m⋅K), hustota 8430 až 8730 kg/m3
    • zmiešané kovové triesky: 90 % ocele, 10 % hliníka/ dĺžka 10 – 15 mm, hrúbka 0,5 mm, šírka 1,5 mm/ Tm: 1370 – 1540 °C/ merná tepelná kapacita 490 J/(kg⋅K)/ tepelná vodivosť 50 – 70 W/(m⋅K) (líši sa podľa zliatiny)/ hustota: 7850 kg/m³
  • T4: medzi stenou a elektrickým ohrievačom/ T3: medzi dvoma elektrickými ohrievačmi
  • povrchová teplota dosiahne 500 °C do 30 minút
  • T4: rýchlejšie zahrievanie ako T3 počas prvých 75 minút (17,5 mm bližšie k zdroju tepla) a konštantná teplota na 350 °C po 3 hodinách a rýchly pokles teploty mimo vykurovacích telies
  • T3: teplejšia ako T4 po 80 minútach, rovná sa povrchovej teplote ohrievačov po 7 hodinách a menej rýchla strata tepla do okolia a tepelná pasca/nízka tepelná vodivosť, vysoká tepelná kapacita piesku --> Terminálne oneskorenie v T3
  • Vodivosť piesku: 0,114 W/(m⋅K)
  • Simulovaný čas nabíjania: päť hodín
  • Mosadzno-piesková vrstva: najvyššia efektívna tepelná vodivosť/vyššia hustota a menej pórovitá štruktúra --> nižšia tepelná vodivosť ako hliník
  • Hliníkové triesky:
    • Účinnejšia pri rovnomernej zmesi: vysoká tepelná vodivosť
    • 20 % hliníka: 1,7-násobok tepelnej rýchlosti čistého piesku a zvýšenie stabilnej teploty T4 --> vyššia efektívna tepelná vodivosť
    • 10 % a 5 % hliníkové tepelné rýchlosti 1,36-násobok a 1,18-násobok čistého piesku
    • Vyšší obsah hliníka: zvýšená perkolácia a viac prepojení --> uľahčuje prenos tepla
    • Nižšie koncentrácie čipov: izolácia čipov, menej vodivých dráh a nižšia tepelná vodivosť
    • zvyšuje celkový teplotný gradient pieskového lôžka
  • triesky zo zmiešaných kovov --> nižší výkon: vyšší obsah ocele (nižšia tepelná vodivosť)
  • teplota mimo termočlánkov: kovový kompozit--> Vyššia teplota ako čistý piesok
  • Kovové triesky: ľahké prenášanie tepla --> viac úložného priestoru
  • Ceny komerčného kovového šrotu vo Fínsku--> Hliník: 0,7 a mosadz: 3,1 a nehrdzavejúca oceľ: 0,7

Z odpadu k hodnote: Využitie odpadového zlievarenského piesku pri skladovaní tepelnej energie ako matricového materiálu v kompozitoch ^{[ 9 ]}

• Úvod:
  • Odpadový zlievareňský piesok (WFS) ako vedľajší produkt z procesov odlievania kovov
  • Charakteristiky WFS: keramické zloženie, hustota, veľkosť častíc (0,15 mm < D < 0,6 mm), špecifický povrch
  • Recyklačná cesta WFS: kľúčový materiál pre kompozitné materiály s fázovou zmenou na zachytávanie, ukladanie a opätovné použitie odpadového tepla
• Tento výskum:
  • Materiály:
    • NaNO3, prírodné materiály vrátane ílu, plne recyklovateľné, bentonit v sodnej forme, odpadový zlievareňský piesok (matricový materiál CPCM, prevládajúca zložka: SiO2 s 87,91 %, sekundárne zložky: Al2O3 s 4,7 %, Fe2O3 s 0,94 %), prísada X (?)
  • Výroba:
    • Rozdrvenie v mažiari (85 – 95 % medzi 0,6 mm a 0,15 mm, rovnomerné rozdelenie veľkosti zŕn)
    • Zmes na miešanie rukou
    • Tvarovanie do 13 mm peliet pod tlakom 60 MPa počas 2 minút
    • Spekanie pri 400 °C, 5 °C/min za vysokej teploty
    • Ochladenie na izbovú teplotu pre tvarovo stabilnú štruktúru
  • Slabá súdržnosť pri hmotnostnom pomere 70–30 (WFS-soľ) --> nestabilita
  • Prísada X (?):
    • Tixotropné vlastnosti vytvárajú s vodou gélovú matricu --> zlepšujú väzbu častíc WFS
    • Zvyšuje odolnosť CPCM voči namáhaniu počas procesu fázovej zmeny
  • Testy:
    • Hustota pieskových zŕn: pyknometer na báze hélia, 2,51 ± 0,06 g/cm³
    • Objemová hmotnosť: Hmotnosť a objem (rozmery) jednotlivých peliet, pórovitosť odvodená z pomeru hustôt
    • Latentné teplo, bod topenia, špecifická tepelná kapacita: DSC: Teplotný rozsah: 20 až 400 °C, rýchlosť zvyšovania teploty: 10 °C/min, hliníkové tégliky, okolitý vzduch, prietok plynu: 100 ml/min, zafírová metóda pre špecifické teplo
    • Tepelná vodivosť a difuzivita: Technika laserového záblesku, rovné povrchy vzoriek, grafitový nástrek, nastavenie prietoku vzduchu: 100 ml/min, vzorec tepelnej vodivosti: λ = a(T)ρ(T)Cp(T)
    • TGA: Hmotnosť vzorky: ~10 mg, platinový téglik, Teplotný rozsah: 25 až 500 °C, rýchlosť ohrevu: 10 °C/min, okolitý vzduch
    • Mikroštruktúra a distribúcia veľkosti pórov: röntgenová nano-CT, valcové vzorky: φ 2 × 15 mm, napätie: 95 kV, prúd: 150 μA, rozlíšenie pixelov: 9,5 μm, projekcia snímok v intervaloch 0,1°, rotácia 180°, analýza dát: softvér Recon, softvér CTan
    • Koeficient tepelnej rozťažnosti: Optický dilatometer, Valcové vzorky: priemer ~13 mm, Ohrev: teplota okolia do 500 °C, rýchlosť: 5 K/min, vzduchové prostredie
    • Pevnosť v tlaku
    • Protokol tepelných cyklov: Zvýšenie teploty na 400 °C, výdrž 30 minút, Zníženie teploty na 270 °C, výdrž 10 minút, Celkovo 48 cyklov, Posúdenie štrukturálnej odolnosti a tepelnej účinnosti CPCM s WFS a soľou
    • ..... (diskusia)
    • Hustota akumulácie energie: 628 ± 27 kJ/kg pre Na60, 567 ± 43 kJ/kg pre Na55
    • Priemerná tepelná vodivosť: o 24 % vyššia pre Na60 (1,38 W/mK) ako pre Na55 (1,08 W/mK) v dôsledku vyššej pórovitosti Na55
    • Pevnosť v tlaku: 141 MPa pre Na60, 105 MPa pre Na55, ovplyvnená pórovitosťou a veľkosťou pórov
    • Väčšia pórovitosť prospešná pre CTE CPCM

Piesková batéria akumulujúca teplo ^{[ 10 ]}

• Púštny piesok dokáže uchovávať tepelnú energiu až do 1000 ℃
• o 400 ℃ vyššia ako roztavená soľ
• Roztavená soľ:
  • údržba, aby sa predišlo upchatiu
  • Na udržanie teploty nad 260 °C je potrebné vonkajšie teplo
  • 28 000 ton --> na 7,5 hodiny skladovania
  • 25,2 milióna dolárov za pamäťové médium
• Tento výskum:
  • Ako tepelný vstup zvolený elektrický ohrievač
  • Teplo ohrievačom --> do výmenníka tepla cez teplonosnú kvapalinu (olej)
  • Olej --> v olejovej nádrži, čerpaný potrubím do výmenníka tepla
  • Teplotné senzory --> monitorujú zmenu teploty piesku
  • Nabíjanie: Piesok ohriaty na požadovanú teplotu (150 °C)
  • Skladovanie: udržiavanie tepelnej energie piesku v priebehu času
  • Vybíjanie:
    • Studený olej --> cez potrubia na absorbovanie tepla piesku
    • Termoelektrický generátor --> tepelná energia na elektrickú energiu

Čo je to „piesková batéria“? ^{[ 11 ]}

• Prvá komerčná piesková batéria: V Kankaanpää v západnom Fínsku (maximálna teplota: 600 ℃, môže byť aj vyššia) -> integrovaná do siete diaľkového vykurovania prevádzkovanej spoločnosťou Vatajankoski (dodávateľ zelenej energie)
  • V obytných a komerčných budovách (domy a bazény)
• Štruktúra:
  • Izolované silo s oceľovým krytom naplnené pieskom a teplonosnými rúrkami.
  • Automatizačné komponenty, ventily, ventilátor a výmenník tepla alebo parný generátor.
• Kúrenie:
  • Elektrina zo siete alebo lokálna výroba z vetra a slnka.
  • Nabíja sa počas období dostupnosti čistej a lacnej elektriny.
  • Elektrická energia --> ohrievanie vzduchu elektrickými odpormi --> cez uzavretý vzduchovod --> cirkulácia cez potrubie na prenos tepla --> do akumulácie tepla
• Extrakcia:
  • Fúkanie studeného vzduchu cez potrubie --> zahrievanie
  • používa sa na premenu vody na technologickú paru/teplo pre diaľkové vykurovanie vo výmenníku tepla vzduch-voda.
• Zostávajú teplé celé mesiace, zvyčajne sa nabíjajú a vybíjajú v 2-týždňových cykloch
• Najlepší rozsah použitia pri nabíjaní a vybíjaní 20 až 200-krát ročne
• V časti „Energia polárnej noci“:
  • 600 °C, 10 GWh, 100 MW
  • 36 % dopytu po priemyselnom vykurovaní možno pokryť pieskovými batériami (v súčasnosti sa spoliehajú na ropu a plyn).
  • môže v roku 2030 ušetriť 100 Mt oxidu uhoľnatého ročne
  • dokáže dodať elektrinu pre približne 10 000 ľudí
• 30 % slnečnej/veternej energie – priame využitie, 70 % akumulované ako teplo, menej ako 10 % potreba externej energie počas celého roka

Klimatická zmena: „Piesočná batéria“ by mohla vyriešiť veľký problém zelenej energie ^{[ 12 ]}

• Dlhá hranica Fínska s Ruskom a zastavenie dodávok plynu a elektriny kvôli vstupu Fínska do NATO --> Obavy o zdroje tepla a svetla počas dlhých a chladných zím
• Fínski výskumníci nainštalovali prvú plne funkčnú pieskovú batériu na svete --> vyvinutú spoločnosťou „Polar Night Energy“
• elektráreň v západnom Fínsku --> 100 ton piesku vo vnútri sivého sila
• Ťažkosti s efektívnou premenou uskladneného tepla späť na elektrinu.

Piesková batéria na akumuláciu tepla ^{[ 13 ]}

• Batsand: Tepelná batéria s vykurovacím generátorom a nádobou na piesok.
• prineste horúci a čerstvý piesok priamo domov
• Nabíjanie (pomocou solárnych panelov) v lete --> kúrenie/chladenie podľa potreby
• potenciál návratnosti investície za 4-6 rokov
• kombinovať so solárnym panelom --> Možno odpojiť od siete
  • Menovitý výkon: 1:14 kW, 2: 25 kW
  • Kapacita batérie: 1: 12 000 kWh, 2: 21 000 kWh
  • Vhodná veľkosť domu: 1: 300-600 m², 2: 500-1200
  • Veľkosť: 1: 140 cm x 72 cm x 55 cm, 2: 185 cm x 85 cm x 72 cm
  • Hmotnosť: 1: 142 kg, 2: 174 kg

Ako by piesková batéria mohla zrevolucionizovať domáce skladovanie energie ^{[ 14 ]}

• Univerzita v Michigane: 30 % celkovej spotreby energie v domácnostiach v USA –> vynaložených na vykurovanie (ohrev vody: 13 %)
• Národné laboratórium Lawrencea Berkeleyho v USA: 1/5 energie vyrobenej v USA --> tepelná záťaž budov
• Solárna komunita DraKE Landing --> 2012: 96 %, 2015, 2016: 100 % ich ročného vykurovania zo solárnej energie
• TES: dobrá účinnosť obojsmerného prenosu (RTE) (% elektriny dodávanej do úložiska) --> 100 % RTE: všetka uložená energia sa dá využiť; termodynamicky nemožné
• olovená kyselina: 70 %, lítium-iónová: 90 %
• piesok: nízke merné teplo, vysoká hustota: veľká tepelná akumulácia, žiadne chemické reakcie: žiadna údržba, nad vriacou vodou
• ohrievajte piesok solárnou energiou --> presťahujte sa domov vzduchom
• výzva: veľkosť--> Batsand (7 700 USD - zvýšenie na 19 000 USD s inštaláciou, akumulácia energie s účinnosťou 92 % a 94 % RTE) je v malej veľkosti (40 m^3), podzemný-> budova s ​​300 – 400 m^2, 10 680 kW/h s +30 kW solárnej energie
• Newton Energy Solution (NES) (5 300 – 6 400 USD, 95 % RTE) –> medzi TES a ohrievačom vody a vyrovnávacou nádržou –> ohrievač vody, ktorý už je TES (ale nedokáže premeniť teplo na elektrinu), objem vody 590 mm x 1 650 mm (214 l) –> 20 kWh (dokáže ohriať 600 l vody z vodovodu na 40 °C a 320 l –> 29 kWh
• účinnosť klesá na 50 – 70 % pri premene tepla na elektrinu

OHRIEVAČ Z PIESKOVEJ BATÉRIE SI TO SVOJ. Jednoduchá výroba za viac ako 599 f ^{[ 15 ]}

• Vybavenie:
  • 30-litrová oceľová vaňa
  • vodný ohrievač--> 300W 12V
  • piesok na hračky (hardvérový piesok)--> 5-8 kg
  • je potrebný ventilátor
  • wattmeter
• Metóda:
  • Naplňte do polovice
  • umiestniť prvok do stredu
  • Pripojte w-meter k vodiču prvku
• za 40 minút --> 179 °C, za 50 minút --> 290 °C

Systém skladovania energie z piesku pre ohrievač vody

• Dopyt po nových a účinných skladovacích materiáloch.
• Použitie piesku, ktorého je v Jordánsku hojnosť, ako úložného materiálu.
• Kremičitý piesok prevláda v južnom Jordánsku, obsahuje 95,5 % až 98,31 % SiO2
• Merná tepelná kapacita kremičitého piesku: priemerne 830 J/kg°C
• Energia uložená úmerne k nárastu teploty, špecifickej tepelnej kapacite a hmotnosti média.
• Slnečné žiarenie v Jordánsku:
  • Ročný priemer: 2080 kWh/m2.
  • Viac ako 300 slnečných dní ročne.
  • Priemerné denné žiarenie: 5,7 kWh/m2, s 8 hodinami slnečného svitu.
  • Jún a júl majú najvyšší počet slnečných hodín (takmer 12 hodín) a hodnoty žiarenia (8,2 kWh/m2).
  • December a január --> najnižšia slnečná aktivita (5 hodín/deň) a najnižšie denné žiarenie (2,9 kWh/m2).
  • Optimalizácia uhla sklonu medzi 10° a 60° zvyšuje ročné žiarenie na 2419 kWh/m2.
  • Najekonomickejší a najefektívnejší uhol sklonu pre inštaláciu fotovoltaického systému v Jordánsku: 30°.
  • Ročné žiarenie v tomto uhle: 2330 kWh/m2.
• Počasie v Jordánsku:
  • Najteplejší mesiac: júl (priemerná teplota 25 °C).
  • Najchladnejší mesiac: január (priemerná teplota 8 °C).
  • Parametre kolísania teploty: medzi 31 °C a 4 °C počas celého roka.
  • Zriedkavé prípady extrémnych teplôt: až do 43 °C a až do -10 °C v rôznych regiónoch Jordánska.
  • Návrh zásobníka energie na nočné použitie ako zdroj ohrevu vody.
  • Štandardná teplota teplej vody: 70 °C.
  • Priemerná spotreba teplej vody na osobu v Jordánsku: 40 litrov/deň.
  • Priemerná veľkosť domácnosti v Jordánsku: 5 osôb.
  • Celkové množstvo vody na ohrev: 200 litrov (zaokrúhlené na 240 litrov).
  • Hmotnosť vody: 240 kg.
  • Merná tepelná kapacita vody: 4,186 kJ/kg°C.
  • Požadovaná teplota: 80 °C (vrátane chyby).
  • Minimálna teplota v januári: 5°C.
  • Teplotný rozdiel (∆T): 75 °C.
  • Potrebná energia (Q):
    • Q=m×Cp​×ΔT=240 kg×4,186 kJ/kg°C×75°C=75 348 kJ
  • Najmenej slnečných hodín denne v decembri: 5 hodín.
  • Najmenej priemerné slnečné žiarenie za deň v decembri: 2,9 kWh/m².
  • Spotreba energie: 75 500 kJ --> 20,98 kWh.
• Kremičitý piesok
  • Tepelná vodivosť: 0,33 W/m°C.
  • Priemerná tepelná kapacita: 0,83 kJ/kg°C
  • ∆T: 75 °C
  • m=Q/Cp × ΔT –> m=1 213 kg.
  • Hustota oxidu kremičitého: 1 522 kg/m³ --> V = 1 m3
• Návrh systému
  • Zásobná nádrž
  • Výmenník tepla
    • Š = 60 cm a V = 0,9 m
    • vstup hore, výstup dole

Kalkulačka solárnej energie pre Londýn, Ontário, Kanada ^{[ 16 ]}

• Priemerný ročný príjem slnečného žiarenia v Londýne v Ontáriu: 1547,32 kWh/m2
• priemerné denné žiarenie: 4,232 kWh/m2
• Mesiace s najvyšším počtom slnečných dní: jún 9,6 h a 6,08 kWh/m2, júl 10,1 h a 6,11 kWh/m2
• Najnižšia slnečná aktivita: Jan 2,3h & 1,97 kWh/m2, Decembra 2,7h & 1,67 kWh/m2

Klimatická a mesačná predpoveď počasia, Londýn, Kanada ^{[ 17 ]}

• Priemerná teplota v najteplejšom mesiaci: 25,5
• Priemerná teplota v najchladnejšom mesiaci: -8,2