قصة نجاح العميل
كيفية تحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية لمواد تخزين الطاقة
تقرير ميداني من إعداد الدكتور دانيال لاغر، مهندس أبحاثarch لأنظمة الطاقة الحرارية المستدامة في مركز الطاقة بالمعهد النمساوي للتكنولوجيا AIT
المعهد النمساوي للتكنولوجيا(https://www.ait.ac.at/) هو المعهد النم ساوي للتكنولوجيا(https://www.ait.ac.at/) وهو مؤسسة بحثية غير جامعية في النمسا largearc ح. ومن خلال مراكزه السبعة، يعتبر المعهد النمساوي للتكنولوجيا النمساوي نفسه شريكًا متخصصًا للغاية في البحثarch وشريكًا في التنمية للصناعة، ويهتم بموضوعات البنية التحتية الرئيسية في المستقبل.
“NETZSCH أثبتت نفسها كشريك موثوق به. وتشكل جودة الأدوات وطول عمرها بالإضافة إلى سهولة استخدام برنامج القياس Proteus® في جميع المتغيرات المقاسة جوانب مهمة في الصورة. وفوق كل شيء، فإن الخدمة الجيدة وكذلك الحوار الجيد مع مختبر التطوير والتطبيق في NETZSCH قد حلت بالفعل العديد من المواقف الصعبة.”
نبذة عن مختبر الفيزياء الحرارية في معهد AIT
يقدم مختبر الفيزياء الحرارية كمختبر اختبار معتمد (EN ISO/IEC 17025) في مركز الطاقة قياسات الخصائص الحرارية للمواد والعمليات والمنتجات بالإضافة إلى تحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية ومعلمات الانتقال بفضل بنيته التحتية المختبرية عالية الجودة والمحددة وسنوات عديدة من الخبرة. تشمل الخصائص الفيزيائية الحرارية التي يتم تحليلها الموصلية الحرارية λ (T)، والانتشار الحراري a(T)، والسعة الحرارية النوعية cp(T)، والتمدد الحراري ΔL(T)/L0، ومعامل التمدد الحراري معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE α(T) ، والكثافة ρ (T) في نطاق درجة حرارة من 180 درجة مئوية إلى 1600 درجة مئوية. وبالإضافة إلى الخواص الفيزيائية الحرارية، يُستخدم التحليل الحراري المتزامن بالأشعة تحت الحمراء وقياس الطيف الكتلي لتحديد درجات الحرارة المميزة، والاختلافات في الإنثالبي والتغيرات في الكتلة وكذلك لتحديد الغازات المتطايرة.
NETZSCH أثبتت نفسها كشريك موثوق به كشركة مصنعة للمعدات. وتشكل جودة الأدوات وطول عمرها بالإضافة إلى سهولة استخدام برنامج القياس في جميع المتغيرات المقاسة جوانب مهمة في الصورة. ولكن قبل كل شيء، فإن الخدمة الجيدة بالإضافة إلى الحوار الجيد مع مختبر التطوير والتطبيق في قد حلت بالفعل العديد من المواقف الصعبة. Proteus® NETZSCH
أقدم جهاز مستخدم حاليًا في AIT هو جهاز Laser-Flash LFA 427، الذي يعمل منذ أكثر من 20 عامًا:
المواد المتغيرة الطور (PCMs) لتطبيقات تخزين الطاقة الحرارية
يعد تخزين الطاقة الحرارية الحسية (STES) حاليًا الطريقة الأكثر شيوعًا لتخزين الحرارة باستخدام السعة الحرارية لمادة التخزين المستخدمة الناتجة عن اختلاف درجة الحرارة السائدة (على سبيل المثال، خزان الماء الساخن). وتتضمن التكنولوجيا الحديثة تخزين الطاقة الحرارية الكامنة (LTES)، والتي تستخدم حرارة التغير الطوري للمادة. والفرق الرئيسي بين استخدام مواد تخزين الطاقة الحرارية الكامنة مقابل مواد تخزين الطاقة الحرارية الكامنة في تطبيقات تخزين الحرارة هو أن الحرارة المخزنة في الأولى تقع ضمن نطاق درجة حرارة ضيقة وتكون درجة حرارة الانتقال الطوري ثابتة. تُستخدم هذه الخاصية في تطبيقات محددة، على سبيل المثال، في تطبيقات المباني. وتتمثل التحديات في إجراء القياس في القياس الدقيق لتغير الطور أو درجة حرارة الانتقال، Tt، ودرجة حرارة الانتقال الطوري الفعلية، Δht، والسعة الحرارية النوعية، cp(T)، للمراحل المختلفة.
كان PCM الذي تم فحصه عبارة عن شمع برافين متوفر تجاريًا مع درجة حرارة انصهار تتراوح من 69 درجة مئوية إلى 71 درجة مئوية، وفرق إنثالبي Δh = 260 كيلوجول كجم-1 من 62 درجة مئوية إلى 77 درجة مئوية، وسعة حرارية محددة cp = 2 كيلوجول كجم-1 كلفن-1وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة.
أُجريت تجارب DSC التالية باستخدام جهاز DSC NETZSCH 204 F1 DSC المزود بمستشعر DSC من النوع E. تم ملء بوتقات الألومنيوم بحجم 25 ميكرولتر من الألومنيوم بحجم 25 ميكرولتر من PCM وملحومة على البارد بأغطية. قُطعت العينات العضوية الصلبة بحيث يكون لها جانب واحد مسطح، وذلك لضمان التلامس الجيد بين العينة وقاع البوتقة. أُجريت تجارب DSC بمعدلي تسخين مختلفين، مع β = 0.25 كلفن دقيقة-1 و β = 10 كلفن دقيقة-1، ومع جو غاز النيتروجين المتحكم في تدفقه الكتلي.
الشكل 3 (أ): نتائج cp(T) الظاهرة من قياسات DSC مع شمع البارافين عند β = 0.25 كلفن دقيقة-1 و β = 10 كلفن دقيقة-1
يصور الشكل 3 نتائج قياسات DSC على ثنائي الفينيل متعدد الكلور العضوي عند معدلي تسخين مختلفين. أدت النتائج لمعدل التسخين المنخفض مع β = 0.25 كلفن دقيقة-1 إلى ذروة حادة ولكن أيضًا إلى شكوك عالية في الطور الصلب أو السائل فيما يتعلق بالسعة الحرارية النوعية الفعلية، cp(T). يشير معدل التسخين الأسرع مع β = 10 كلفن في الدقيقة-1 إلى تمثيل ملطخ لنطاق الانصهار ولكن نتائج أكثر دقة بكثير للسعة الحرارية النوعية الفعلية cp(T) في الطور الصلب أو السائل.
ومن هذه النتائج، خلصنا إلى أن تقييم درجات الحرارة المميزة وإنثالبي التحول يتطلب قياسات DSC متعددة بمعدلات تسخين مختلفة لتحقيق نتائج ذات مغزى فيما يتعلق بدرجة حرارة الانتقال الطوري والإنثالبي وكذلك فيما يتعلق بالسعة الحرارية النوعية، مع استبعاد عمليات الانتقال الحراري داخل العينة.
قياسات الموصلية الحرارية الفعالة والسعة الحرارية النوعية على خلايا البطارية
تُعد الموصلية الحرارية الفعالة λeff(T)في اتجاهات مختلفة لخلايا البطارية بالإضافة إلى سعتها الحرارية المحددة cp(T) ذات أهمية أساسية لفهم السلوك الحراري والإدارة الحرارية لحزم البطاريات.
وقد ركزت التجارب التالية على استخدام فلاش الليزر LFA 427 NETZSCH ، وجهاز NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® وجهاز قياس التدفق الحراري NETZSCH HFM 446 لتقييم هذه الخصائص. تم استخدام LFA 427 و DSC 204 F1 لتحديد الانتشار الحراري a(T) في الاتجاه الداخلي و cp(T) للأنود والكاثود والفاصل ومواد الحقيبة في خلية كيس أيونات الليثيوم المفككة. طُبقت طريقة HFM لتقييم cp(T) و λeff(T)لخلية كيس أيون الليثيوم-أيون عموديًا على سطح الكيس في حالة شحن مختلفة (SoC).
الشكل 4: الشكل 4: قياسات LFA (يمينًا) وقياسات DSC (يسارًا) على مادة الجيب لخلية الجيب
يمثل الشكل 4 نتائج cp(T)وa(T) لمادة الحقيبة لخلية بطارية الحقيبة التي تم فحصها. تم إجراء هذا الإجراء القياسي مع جميع المكونات الصلبة لخلية بطارية الحقيبة لتقييم الموصلية الحرارية الفعالة في الاتجاه داخل المستوى بناءً على حسابات العناصر المحدودة الإضافية.
الشكل 5: إلى اليسار: خلايا الحقيبة المكدسة في HFM 446؛ إلى اليمين: الموصلية الحرارية الفعالة استنادًا إلى قياسات HFM 446
يصور الشكل 5 إعداد القياس لقياس الموصلية الحرارية الفعالة عبر المستوى باستخدام HFM 446 ومكدس خلايا الحقيبة على الجانب الأيسر وكذلك النتائج المستلمة على اليمين.
أظهر إجراء القياس المستند إلى طريقة قياس HFM 446 مع مجموعة التمديد المطبقة ومكدس خلايا الحقيبة قابلية استنساخ جيدة لـ λeff(T)مع λeff= 0.715 واط/م-1 كلفن-1 عند درجة حرارة = 25 درجة مئوية وعدم يقين مشترك موسع U(k=2) = 0.02 واط/م-1 كلفن-1. لم يمكن حل الاختلافات في λeff(T) بسبب درجة الحرارة المرتفعة في النتائج.
تمت معالجة البيانات المحددةل cp(T) وa(T) في الاتجاه داخل المستوي لمكون الحقيبة في نموذج العناصر المحدودة (FE) لحساب الموصلية الحرارية داخل المستوي لخلية الحقيبة بأكملها مع λeff= 52.54 واط م-1 كلفن-1.
تُظهر النتائج التي تم تقييمها أن HFM هي طريقة مناسبة غير مدمرة لتحليل الموصلية الحرارية الفعالة في الاتجاه العابر للمستوى لخلايا الجيب. يمكن تحديد الموصلية الحرارية الفعالة في الاتجاه المستوي الداخلي عن طريق تشريح الخلية إلى مكوناتها لتحديد الانتشار الحراري المستوي الداخلي وكذلك السعة الحرارية والكثافة النوعية. يمكن معالجة هذه البيانات في نموذج FE لتقييم الموصلية الحرارية الفعالة داخل المستوى.
نبذة عن المؤلف
يعمل الدكتور دانيال لاغر، الحاصل على درجة الماجستير في مجال الفيزياء الحرارية والتحليل الحراري منذ عام 2007. وهو رئيس المختبر المعتمد المرتبط بالمعهد النمساوي للتكنولوجيا AIT GmbH اعتبارًا من عام 2019. في عام 2017، حصل على درجة الدكتوراه من جامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) عن أطروحته حول التوصيف الفيزيائي الحراري لمواد تخزين الحرارة. وقد ألّف وشارك في تأليف العديد من المنشورات.
في عام 2005، حصل على درجة الدبلوم في الإلكترونيات من جامعة العلوم التطبيقية تكنيكوم فيينا في عام 2005، ثم حصل على درجة الماجستير في علوم الهندسة الطبية الحيوية في عام 2008.
وبالتوازي مع عمله في معهد AIT، يعمل محاضراً خارجياً في جامعة العلوم التطبيقية في بورغنلاند. خلال مسيرته المهنية، تمكن دانيال لاغر أيضاً من اكتساب الخبرة كفيزيائي نظام لمسرع جسيمات للعلاج بالأيونات، وكمهندس نظام لأنظمة نقل البيانات في تطبيقات السلامة العامة، وكمطور برمجيات لأنظمة الكشف عن الأضرار وكباحثarcلها في مجال تأثير التوافق الكهرومغناطيسي.
شاهد الندوة المقابلة عبر الإنترنت!
في هذه الندوة الإلكترونية، يعرض الدكتور دانيال لاغر أحدث منهجيات القياس للخصائص الفيزيائية الحرارية لمواد تخزين الطاقة. مع التركيز على السعة الحرارية النوعيةcp(T)، وإنثالبي الانتقال الطوريHt، وإنثالبي التفاعل Hr، والانتشار الحراري a(T)، والتوصيل الحراري λ(T) ودرجات الحرارة المميزة T، يقوم بإجراء ومقارنة وتقييم مختلف تقنيات القياس الموحدة والجديدة أيضًا بناءً على طرق القياس المتاحة. انتبه الآن!