Критерии выбора и теплофизические свойства низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов для систем хранения тепловой энергии (обзор)

Проблема энергоэффективности и энергосбережения является одной из центральных для развития современной цивилизации. В Российской Федерации, как и во всем мире, разрабатываются технологии для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, а также ведется поиск новых источников и способов транспортировки и хранения энергии, что в перспективе позволит снизить затраты на использование электроэнергии и экономическую нагрузку на потребителя. В России главные проблемы применения систем аккумулирования тепла заключаются в их низкой конкурентоспособности и эффективности по сравнению с традиционными источниками тепла. Решить эти проблемы можно за счет новых композитных теплоаккумулирующих материалов краткосрочного и долгосрочного действия, с различными рабочими температурами, временем передачи тепла, различной плотностью аккумулирования тепла и т.д. в зависимости от климатических условий регионов России. Несмотря на значительное количество исследований характеристик теплоаккумулирующих материалов и попыток их систематизации, до сих пор нет количественно достоверных данных, тогда как рекомендации по выбору лежат в основе разработки оптимальных теплоаккумулирующих материалов для конкретных приложений. В настоящее время не существует достаточно эффективных тепловых аккумуляторов для хранения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения зданий в сложных климатических условиях. В работе рассмотрены основные принципы накопления тепла, основные виды и свойства теплоаккумулирующих материалов, а также критерии, обусловливающие их применение в системах хранения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения. Проведен предварительный выбор кристаллогидратов солей в качестве потенциальных материалов для отопительных систем. На основе факторного анализа систематизированной из доступных литературных источников количественной информации, проведена обработка данных и предложена схема выбора теплоаккумулирующих материалов для отопительных систем в сложных климатических условиях России.

1. Lin, Y. Review on thermal conductivity enhancement, thermal properties and applications of phase change materials in thermal energy storage / Y. Lin [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 82. – P. 2730–2742.

2. Le Pierres, B.S.N. Storage of thermal solar energy / B.S.N. Le Pierres [et al.] // C. R. Physique. – 2017. – Vol. 18. – P. 401–414.

3. Barreneche, C. New database to select phase change materials: Chemical nature, properties, and applications / C. Barreneche [et al.] // Journal of Energy Storage. – 2015. – Vol. 3. – P. 18–24.

4. Pielichowska, K. Phase change materials for thermal energy storage / K. Pielichowska [et al.] // Progress Mater. Sci. – 2014. – Vol. 65. – P. 67–123.

5. Li, T.X. Experimental investigation on copper foam/hydrated salt composite phase change material for thermal energy storage / T.X. Li [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2017. – Vol. 115. – P. 148–157.

6. Белименко, С.С. Разработка критериев эффективности заряда и разряда твердотельного теплового аккумулятора / С.С. Белименко [и др.] // Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту. – 2014. – Т. 53. – № 5. – C. 7–17.

7. Hammou, Z.A. A new PCM storage system for managing simultaneously solar and electric energy / Z.A. Hammou [et al.] // Energy Build. – 2006. – Vol. 38. – P. 258–65.

8. Гаматаева, Г.Ю. Технико-эксплуатационные свойства теплоаккумулирующих материалов / Г.Ю. Гаматаева [и др.] // Материалы X Всероссийской научной конференции. Издательство: Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова (Владикавказ). – 2016. – C. 187–190.

9. Nkwetta, D.N. Thermal energy storage with phase change material—A state-of-the art review / D.N. Nkwetta, F. Haghighat // Sustainable Cities and Society. – 2014. – Vol. 10. – P. 87–100.

10. Sögütoglu, L.C. In-depth investigation of thermochemical performance in a heat battery: Cyclic analysis of K2CO3, MgCl2 and Na2S / L.C. Sögütoglu [et al.] // Applied Energy. – 2018. – Vol. 215. – P. 159–173.

11. Jaguemont, J. Phase-change materials (PCM) for automotive applications: A review / J. Jaguemont [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 132. – P. 308–320.

12. Du, K. A review of the applications of phase change materials in cooling, heating and power generation in different temperature range / K. Du [et al.] // Applied Energy. – 2018. – Vol. 220. – P. 242–273.

13. Nazir, H. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: A review / H. Nazir [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2019. – Vol. 129. – P. 491–523.

14. Bouhal, T. Numerical modeling and optimization of thermal stratification in solar hot water storage tanks for domestic applications: CFD study / T. Bouhal [et al.] // Sol. Energy. – 2017. –Vol. 157. – P. 441–455.

15. Huang, H. An experimental investigation on thermal stratification characteristics with PCMs in solar water tank / H. Huang [et al.] // Solar Energy. – 2019. – Vol. 177. – P. 8–21.

16. Burak, K. Effect of rectangular hot water tank position and aspect ratio on thermal stratification enhancement / K. Burak [et al.] // Renew. Energy. – 2018. – Vol. 16. – P. 639–646.

17. Аблаев, Р.Р. Аккумулимрование тепла в системах солнечного теплоснабже6ния домов индивидуального пользования (обзор) / Р.Р. Аблаев [и др.] // Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 153. Серія: Механіка, енергетика, екологія. – Севастополь, 2014.

18. Yoram, L. Compact hot water storage systems combining copper tube with high conductivity graphite and phase change materials / L. Yoram [et al.] // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 48. – P. 423 – 430.

19. Александров, В.Д. Использование теплоаккумулирующих материалов на основе кристаллогидратов солей натрия в транспортных средствах / В.Д. Александров [и др.] // Вісник Донецької академії автомобільного транспорту. – 2015. – № 1. – С. 34–41.

20. Venkateswara, V. PCM-mortar based construction materials for energy efficient buildings: A review on research trends / V. Venkateswara [et al.] // Energy and Buildings. – 2018. – Vol. 158. – P. 95–122.

21. Xiao, Q. Fabrication and characteristics of composite phase change material based on Ba(OH)2•8H2O for thermal energy storage / Q. Xiao [et al.] // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2018. – Vol. 179. – P. 339–345.

22. Kee, S.Y. Review of solar water heaters incorporating solid-liquid organic phase change materials as thermal storage / S.Y. Kee [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 131. – P. 455–471.

23. Mumtaz, M. A review for phase change materials (PCMs) in solar absorption refrigeration systems / M. Mumtaz [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 76. – P. 105–137.

24. Liu, Y.S. Use of nano-alpha-Al2O3 to improve binary eutectic hydrated salt as phase change material / Y.S. Liu, Y.Z. Yang // Sol. Energy Mater. Sol. – 2017. – Vol. 160. – P. 18–25.

25. Быстров, В.П. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода / В.П. Быстров, А.В. Ливчак // Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения: сб. науч. трудов. – М.: Изд-во ЦНИИЭПИО, 1984. – С. 75–90.

26. Bal, L.M. Solar dryer with thermal energy storage systems for drying agricultural food products: a review / L.M. Bal [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2014. – Vol. – 14. – P. 2298–2314.

27. Risti, A. Engineering and processing of PCMs, TCMs and sorption materials / A. Risti [et al.] // Energy Procedia. – 2016. – Vol. 91. – P. 207 – 217.

28. Zhou, D. Thermal characterisation of binary sodium/lithium nitrate salts for latent heat storage at medium temperatures / D. Zhou [et al.] // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2016. – Vol. 157. – P. 1019–1025.

29. Morofsky, E. History of thermal energy storage / E. Morofsky // Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption. – 2007. – P. 377–391.

30. Crespo, A. Latent thermal energy storage for solar process heat applications at medium-high temperatures – A review / A. Crespo [et al.] // Solar Energy. – 2018. – DOI: 10.1016/j.solener.2018.06.101

31. Putra, N. Preparation of beeswax/multi-walled carbon nanotubes as novel shapestable nanocomposite phase-change material for thermal energy storage / N. Putra [et al.] // Journal of Energy Storage. – 2019. – Vol. 21. – P. 32–39.

32. Parameshwaran, R. Applications of Thermal Analysis to the Study of Phase-Change Materials / R. Parameshwaran [et al.] // Chapter 13 Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2018. – Vol. 6. – P. 519.

33. Leong, K.Y. Nano-enhanced phase change materials: A review of thermo-physical properties, applications and challenges / K.Y. Leong [and al.] // Journal of Energy Storage. – 2019. – Vol. 21. – P. 18–31.

34. Гасаналиев, A.M. Теплоаккумулирующие свойства расплавов / A.M. Гасаналиев, Б.Ю. Гаматаева. // Успехи химии. – 2000. – Т. 69. – № 2. – C. 192–200.

35. Vitorino, N. Quality criteria for phase change materials selection / N. Vitorino [et al.] // Energy Conversion and Management. – 2016. – Vol. 124. – P. 598–606; 10.1016/j.enconman.2016.07.063.

36. Lin, Y. Review on thermal performances and applications of thermal energy storage systems with inorganic phase change materials / Y. Lin [et al.] // Energy. – 2018. – Vol. 165. – P. 685–708.

37. Liu, L. Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage: a review / L. Liu [et al.] // Renewable Sustainable Energy Rev. – 2016. – Vol. – 62. – P. 305–317.

38. Conroy, T. Thermohydraulic analysis of single phase heat transfer fluids in CSP solar receivers / T. Conroy [et al.] // Renewable Energy. – 2018. – Vol. 129. – P. 150–167.

39. Боровская, Л.В. Исследование термодинамических свойств карбоновых кислот методом ДСК / Л.В. Боровская // Фундаментальные исследования. Химические науки. – 2013. – № 6. – C. 1120–1123.

40. Alva, G. Thermal energy storage materials and systems for solar energy applications / G. Alva [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 68. – P. 693–706.

41. Мозговой, А.Г. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов. Кристаллогидраты: Обзоры по теплофизическим свойствам веществ / А.Г. Мозговой [и др.] // ТФЦ. – М.: ИВТАН. – 1990. – Т. 82. – № 2. – С. 3–105.

42. Wei, G. Selection principles and thermophysical properties of high temperature phase change materials for thermal energy storage: A review / G. Wei [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 81. – P. 1771–1786.

43. Ibrahim, N.I. Heat transfer enhancement of phase change materials for thermal energy storage applications: a critical review / N.I. Ibrahim [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2017. – Vol. 74. – P. 26–50.

44. Qureshi, Z.A. Recent advances on thermal conductivity enhancement of phase change materials for energy storage system: A review / Z.A. Qureshi [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 127. – P. 838–856.

45. Vadhera, J. Study of Phase Change materials and its domestic application / J. Vadhera [et al.] // Materials Today Proceedings. – 2018. – Vol. 5. – P. 3411–3417.

46. Lin, Y. Review on thermal conductivity enhancement, thermal properties and applications of phase change materials in thermal energy storage / Y. Lin [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 82. – P. 2730–2742.

47. Dannemand, M. Laboratory test of a cylindrical heat storage module with water and sodium acetate trihydrate / M. Dannemand [et al.] // Energy Procedia. – 2016. – Vol. 91. – P. 122–127.

48. Dong, O. A novel eutectic phase-change material: CaCl2•6H2O +NH4Cl +KCl / O. Dong [et al.] // Calphad. – 2018. – Vol. 63. – P. 92–99.

49. Wang, W.W. Parameter effect of a phase change thermal energy storage unit with one shell and one finned tube on its energy efficiency ratio and heat storage rate / W.W. Wang [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2016. – Vol. 93. – P. 50–60.

50. Chaudhary, F.G.G. Modelling and experimental validation of an algorithm for simulation of hysteresis effects in phase change materials for building components / F.G.G. Chaudhary, S. Fantucci // Energy & Buildings. – 2018. – Vol. 174. – P. 54–67.

51. Koukou, M.K. Experimental and computational investigation of a latent heat energy storage system with a staggered heat exchanger for various phase change materials / M.K. Koukou [et al.] // Thermal Science and Engineering Progress. – 2018. – Vol. 7. – P. 87–98.

52. Bhatt, V.D. Thermal Energy Storage Capacity of some Phase changing Materials and Ionic Liquids / V.D. Bhatt [et al.] // International Journal of ChemTech Research. – 2010. – Vol. 2. – No. 3. – P. 1771–1779.

53. Browne, C. Investigation of the corrosive properties of phase change materials in contact with metals and plastic / C. Browne [et al.] // Renewable Energy. – 2017. – Vol. 108. – P. 555–568.

54. Judith, C.G. High-Temperature Phase Change Materials (PCM) Candidates for Thermal Energy Storage (TES) Applications High-Temperature Phase Change Materials (PCM) Candidates for Thermal Energy Storage (TES) // Applications. – 2011; doi: doi:10.2172/1024524.

55. Liu, M. Determination of thermo-physical properties and stability testing of high-temperature phase-change materials for csp applications technologies / M. Liu [et al.] // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. – 2015. – Vol. 139. – P. 81–87.

56. Taylor, R.A. Experimental characterisation of sub-cooling in hydrated salt phase change materials / R.A. Taylor [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2016. – Vol. 93. – P. 935–938.

57. Souayfane, F. Phase change materials (PCM) for cooling applications in buildings: a review / F. Souayfane [et al.] // Energy Build. – 2016. – Vol. 129. – P. 396–431.

58. Zhang, S. Thermodynamics behavior of phase change latent heat materials in micro-/nanoconfined spaces for thermal storage and applications / S. Zhang, Z. Wang // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 82. – P. 2319–2331.

59. Li, T.X. Experimental investigation on copper foam/hydrated salt composite phase change material for thermal energy storage / T.X. Li [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2017. – Vol. 115. – P. 148–157.

60. Wei, G. Selection principles and thermophysical properties of high temperature phase change materials for thermal energy storage: A review / G. Wei [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 81. – P. 1771–1786.

61. Khan, Z. A review of performance enhancement of PCM based latent heat storage system within the context of materials, thermal stability and compatibility / Z. Khan [et al.] // Energy Convers Manag. – 2016. – Vol. 115. – P. 132–158.

62. Meng, Z.N. Experimental and numerical investigation of a tube–in–tank latent thermal energy storage unit using composite PCM / Z.N. Meng, P. Zhang // Appl. Energy. – 2017. – Vol. 190. – P. 524–539

63. Giro–Paloma, J. Types, methods, techniques, and applications for microencapsulated phase change materials (MPCM): a review / J. Giro–Paloma [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2016. – Vol. 53. – P. 1059–1075.

64. Jamekhorshid, A. A review of microencapsulation methods of phase change materials (PCMs) as a thermal energy storage (TES) medium / A. Jamekhorshid [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2014. – Vol. 31. – P. 531–542.

65. Hsua, T. Thermal hysteresis in phase-change materials: Encapsulated metal alloy core-shell microparticles / T. Hsua [et al.] // Nano Energy. – 2018. – Vol. 51. – P. 563–570.

66. Trunin, A. S. Computer Modeling of the Eutectic Parameters for the Li,Na,Ca||F and K,Li,Sr||F Three-Component Systems / A. S. Trunin [et al.] // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2006. – Vol. 51. – No. 2. – P. 337–341.

67. Игнатьева, Е.О. Прогнозирование и экспериментальное подтверждение характеристик эвтектик рядов двухкомпонентных систем K2NО4 – KГ (Г – F, Cl, Br, I; Э – Cr, Mo, W) / Е.О. Игнатьева [и др.] // Вектор науки ТГУ. – 2011. – Т. 16 – № 2. – C. 31–35.

68. Моргунова, О.Е. Метод моделирования эвтектических характеристик многокомпонентных сплавов / О.Е. Моргунова [и др.] // Материаловедение. – 2014. – T. 202. – № 1. С. 50–56.

69. Бабаев, Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы / Б.Д. Бабаев // Теплофизика высоких температур. – 2014. – T. 52. – № 5. – C. 760–776.

70. Jiang, Y. Eutectic Na2Co3-NaCl salt: A new phase change material for high temperature thermal storage / Y. Jiang [et al.]. – 2016. – Vol. 152. – P. 155–60.

71. Raud, R. A critical review of eutectic salt property prediction for latent heat energy storage systems / R. Raud [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 70. – P. 936–944.

72. Kenisarin, M. Salt hydrates as latent heat storage materials: Thermophysical properties and costs / M. Kenisarin, K. Mahkamov // Solar Energy Materials Solar Cells. – 2016. – Vol. 145. – P. 255–286.

73. Trausel, F. A review on the properties of salt hydrates for thermochemical storage / F. Trausel [et al.] // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 48. – P. 447–452.

74. Fopah-Lelea, A. A review on the use of SrBr2•6H2O as a potential material for low temperature energy storage systems and building applications / A. Fopah-Lelea, J. Tamba // Solar Energy Materials Solar Cells. – 2017. – Vol. 164. – P. 175–187.

75. Kenfack, F. Innovative Phase Change Material (PCM) for heat storage for industrial applications / F. Kenfack, M. Bauer // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 46. – P. 310 – 316.

76. Veerakumar, C. Phase change material based cold thermal energy storage: Materials, techniques and applications – A review / C. Veerakumar, A. Sreekumar // International Journal of Refrigeration. – 2016. – Vol. 67. – P. 271–289.

77. Safari, A. A review on supercooling of Phase Change Materials in thermal energy storage systems / A. Safari [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 70. – P. 905–91.

78. Zhou, S. Modification of expanded graphite and its adsorption for hydrated salt to prepare composite PCMs / S. Zhou [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 133. – P. 446–451.

79. Sandnes, B. Supercooling salt hydrates: stored enthalpy as a function of temperature / B. Sandnes, J. Rekstad // Sol. Energy. – 2006. – Vol. 80. – No. 5. – P. 616–625.

80. Karaipekli, A. Thermal characteristics of expanded perlite/paraffin composite phase change material with enhanced thermal conductivity using carbon nanotubes / A. Karaipekli [et al.] // Energy Convers Manag. – 2017. – Vol. 134. – P. 373–381.

81. Tao, Y.B. A review of phase change material and performance enhancement method for latent heat storage system / Y.B. Tao, Ya-Ling He // Renewable and Sustainale Energy Reviews. – 2018. – Vol. 93. – P. 245–259.

82. Shah, K.W. A review on enhancement of phase change materials – A nanomaterials perspective / K.W. Shah // Energy & Buildings. – 2018. – Vol. 175. – P. 57–68.

83. Ibrahim, N.I. Heat transfer enhancement of phase change materials for thermal energy storage applications: a critical review / N.I. Ibrahim [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2017. – Vol. 74. – P. 26–50.

84. Castelloe, J.M. Sample Size Computations and Power Analysis with the SAS System / J.M. Castelloe // Statistics and Data Analysis. – 2000. – Vol. 25. – P. 8.