到目前為止，在陽(yáng)光普照和風(fēng)吹拂時(shí)儲(chǔ)存我們產(chǎn)生的能量一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。但挪威特隆赫姆實(shí)驗(yàn)室的研究人員成功地做到了這一點(diǎn)——而且完全沒(méi)有任何形式的先進(jìn)電池技術(shù)。

從外面看，它像一個(gè)銀色的容器，側(cè)面有一個(gè)小圓窗，有幾根管子進(jìn)出。熱量首先被吸入系統(tǒng)，然后在一段時(shí)間后再次釋放。

這個(gè)“容器”可以儲(chǔ)存晴天和刮風(fēng)天產(chǎn)生的熱能，并在天氣變冷時(shí)再次釋放。驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)的技術(shù)基于所謂的“相變材料”(PCM)與熱泵相結(jié)合。

事實(shí)上，能源可以是任何東西，包括太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電力、工廠建筑的廢熱或風(fēng)力渦輪機(jī)的剩余能源。在這里，在SINTEF和NTNU運(yùn)營(yíng)的ZEB(零排放建筑)實(shí)驗(yàn)室中，用于存儲(chǔ)的能源來(lái)自覆蓋建筑物大部分屋頂和朝南立面的太陽(yáng)能電池板。

水是世界上最常見(jiàn)的相變材料

但什么是相變材料?AlexisSevault是SINTEFEnergyResearch的研究經(jīng)理，他非常樂(lè)意解釋。

事實(shí)上，水是一種最簡(jiǎn)單、最常見(jiàn)的相變材料。當(dāng)溫度低于零攝氏度時(shí)，它會(huì)變成冰晶，當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)變成液體，當(dāng)溫度接近100度時(shí)會(huì)變成蒸汽。水還具有在其不同階段表現(xiàn)不同的能力，最重要的是，它可以以液態(tài)形式儲(chǔ)存熱量。

科學(xué)家將相變材料或PCM命名為在不同相中表現(xiàn)不同并且還可以儲(chǔ)存熱量的材料。

有許多PCM在液態(tài)時(shí)可以儲(chǔ)存熱量。是什么讓這些材料變得有趣，并且在這種情況下非常實(shí)用，因?yàn)樗鼈兊娜埸c(diǎn)不是零度。

熔點(diǎn)：37攝氏度

這種特性使PCM可以用作所謂的“熱庫(kù)”。換句話說(shuō)，作為電池。ZEB實(shí)驗(yàn)室的銀色大容器中裝有一種在體溫下會(huì)熔化的PCM。

“該設(shè)備包含三噸基于植物油的液體生物蠟，不能用作食物，”Sevault說(shuō)。“就像水變成冰一樣，當(dāng)蠟變得足夠冷時(shí)，它就會(huì)變成固體、結(jié)晶材料。對(duì)于這種特殊的蠟來(lái)說(shuō)，‘冷’意味著低于37度，”他說(shuō)，并繼續(xù)補(bǔ)充道：

“但還有其他類型的生物蠟具有不同的熔點(diǎn)，都為許多類似的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。”

智能分子

如果我們?cè)敿?xì)檢查生物蠟，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它是由在熱量方面表現(xiàn)非常經(jīng)濟(jì)的分子組成的。

為了節(jié)省能源，當(dāng)生物蠟處于固相狀態(tài)時(shí)，分子會(huì)非常緊密地排列在一起。它們彼此靠近并保持相對(duì)靜止，就像浮冰上的一群冷企鵝一樣。

隨著材料熔化，將分子結(jié)合在一起的鍵松動(dòng)，它們開(kāi)始以我們所謂的動(dòng)能移動(dòng)。隨著周圍環(huán)境提供更多熱量，分子變得更加興奮。最后，他們從束縛中解脫出來(lái)，可以自由獨(dú)立地振動(dòng)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，生物蠟已經(jīng)改變了它的相并變成了液體。

反之亦然。當(dāng)蠟從液體變?yōu)楣腆w時(shí)，分子會(huì)將大部分動(dòng)能釋放到周圍環(huán)境中。它們停止振動(dòng)并開(kāi)始再次聚集在一起以節(jié)省能量。然后蠟恢復(fù)為固體。

生物基免維護(hù)

這是研究人員正在銀容器中利用的現(xiàn)象。建筑物外部太陽(yáng)能電池板收集的能量通過(guò)熱泵傳導(dǎo)到大“電池”中，在這里，生物蠟分子可以隨心所欲地跳舞——充滿液體能量。

當(dāng)需要提取能量時(shí)，液態(tài)水被指定為“實(shí)用的能量載體”。首先，冷水通過(guò)蓄熱系統(tǒng)輸送。片刻之后，現(xiàn)在加熱的水從設(shè)備中釋放出來(lái)，并被引導(dǎo)到散熱器和通風(fēng)系統(tǒng)，為建筑物提供加熱的空氣。

一個(gè)有效的，功能性的系統(tǒng)

現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)已作為ZEB實(shí)驗(yàn)室供暖系統(tǒng)的一部分使用了一年多。

“基于PCM的儲(chǔ)熱系統(tǒng)提供的性能完全符合我們的預(yù)期，”AlexisSevault說(shuō)。“我們盡可能多地利用建筑物的自產(chǎn)太陽(yáng)能。我們還發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)非常適合所謂的‘調(diào)峰’”，他說(shuō)。

“通過(guò)在一天中最冷的時(shí)間之前為生物電池充電，我們可以防止建筑物在特隆赫姆其他地區(qū)也遇到大量需求時(shí)消耗寶貴的電網(wǎng)電力，”Sevault說(shuō)。“這為我們提供了一定程度的靈活性，也可以用來(lái)利用現(xiàn)貨價(jià)格的波動(dòng)。當(dāng)我們可以從太陽(yáng)能、風(fēng)能和廢熱中獲取能量時(shí)，我們可以為電池充電，并在電價(jià)高時(shí)提取輸出”他解釋說(shuō)。

此外，運(yùn)行的第一年提供了大量數(shù)據(jù)，研究人員現(xiàn)在將使用這些數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，以便提取盡可能多的輸出。

最適合工業(yè)應(yīng)用

因此，該系統(tǒng)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)電池復(fù)雜——但它并不適用于所有建筑物。作為一項(xiàng)新技術(shù)，投資成本居高不下。缺點(diǎn)是這樣的系統(tǒng)并不適合所有人。至少目前沒(méi)有。

Sevault說(shuō)：“該系統(tǒng)非常適合工業(yè)和辦公樓，以及可以分配熱量的社區(qū)。”“它最好的部分是該技術(shù)幾乎無(wú)需維護(hù)。它將持續(xù)至少25年，”他說(shuō)。

研究人員還致力于開(kāi)發(fā)智能控制系統(tǒng)，以優(yōu)化輸出。這些將使整個(gè)系統(tǒng)能夠響應(yīng)并根據(jù)其周圍環(huán)境的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。這意味著在實(shí)踐中，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式可能會(huì)受到天氣預(yù)報(bào)和電價(jià)波動(dòng)等因素的影響。這項(xiàng)研究由SINTEF與NTNU合作進(jìn)行。與NTNU和SINTEF的許多其他研究部門一起，研究人員建立了一個(gè)名為熱能存儲(chǔ)的雙子座中心。

SINTEF的衍生產(chǎn)品

開(kāi)發(fā)“生物電池”或?qū)＜曳Q之為PCM儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究人員現(xiàn)在正在建立一家公司，旨在將該技術(shù)商業(yè)化。這是與SINTEF的內(nèi)部啟動(dòng)支持部門SINTEFTTO合作進(jìn)行的。

“我們?cè)O(shè)想，在ZEB實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的測(cè)試后，我們可以安全地開(kāi)始這一概念的商業(yè)化之旅，”Sevault說(shuō)。“我們還與許多有興趣在2023年或2024年安裝試點(diǎn)系統(tǒng)的最終用戶建立了聯(lián)系。其中許多是擁有資源來(lái)擴(kuò)大這一概念的工業(yè)公司，”他說(shuō)。

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