Ιστορία επιτυχίας πελάτη
Πώς να προσδιορίσετε τις θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών αποθήκευσης ενέργειας
Μια έκθεση πεδίου από τον Δρ Daniel Lager, Ερευνητήarch Μηχανικός για τα βιώσιμα θερμικά ενεργειακά συστήματα στο Κέντρο Ενέργειας, AIT Αυστριακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας
Το Αυστριακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας AIT(https://www.ait.ac.at/) είναι το largeπρώτο μη πανεπιστημιακό ινστιτούτοarch της Αυστρίας. Με τα επτά κέντρα του, το AIT θεωρεί τον εαυτό του ως έναν εξαιρετικά εξειδικευμένο εταίρο έρευναςarch και ανάπτυξης για τη βιομηχανία και ασχολείται με τα βασικά θέματα υποδομών του μέλλοντος.
„NETZSCH έχει καθιερωθεί ως αξιόπιστος συνεργάτης. Η ποιότητα των οργάνων και η μακροζωία τους, καθώς και η χρηστικότητα του λογισμικού μέτρησης Proteus® σε όλες τις μετρούμενες μεταβλητές αποτελούν σημαντικές πτυχές της εικόνας. Πάνω απ' όλα, η καλή εξυπηρέτηση καθώς και ο καλός διάλογος με το εργαστήριο ανάπτυξης και εφαρμογών στο NETZSCH έχουν ήδη λύσει πολλές δύσκολες καταστάσεις.“
Σχετικά με το εργαστήριο θερμοφυσικής στο AIT
Το εργαστήριο θερμοφυσικής ως διαπιστευμένο εργαστήριο δοκιμών (EN ISO/IEC 17025) στο Κέντρο Ενέργειας προσφέρει μετρήσεις θερμικών χαρακτηριστικών υλικών, διεργασιών και προϊόντων καθώς και προσδιορισμούς θερμοφυσικών ιδιοτήτων και παραμέτρων μετάβασης με την υψηλής ποιότητας και ειδικής εργαστηριακής υποδομής και την πολυετή εμπειρία του. Οι θερμοφυσικές ιδιότητες που αναλύονται περιλαμβάνουν τη θερμική αγωγιμότητα λ(T), τη θερμική διαχυτότητα α(T), την ειδική θερμοχωρητικότητα Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp(T), τη θερμική διαστολή ΔL(T)/L0, τον συντελεστή θερμικής διαστολής Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE α(T) και την πυκνότητα ρ(T) σε ένα εύρος θερμοκρασιών από -180°C έως 1600°C. Εκτός από τις θερμοφυσικές ιδιότητες, χρησιμοποιείται ταυτόχρονη θερμική ανάλυση με υπέρυθρη και φασματομετρία μάζας για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών θερμοκρασιών, των διαφορών ενθαλπίας και των μεταβολών μάζας, καθώς και για τον εντοπισμό των αερίων που αναπτύσσονται.
NETZSCH έχει καθιερωθεί ως αξιόπιστος συνεργάτης ως κατασκευαστής εξοπλισμού. Η ποιότητα των οργάνων και η μακροζωία τους, καθώς και η χρηστικότητα του λογισμικού μέτρησης σε όλες τις μετρούμενες μεταβλητές αποτελούν σημαντικές πτυχές της εικόνας. Πάνω απ' όλα, όμως, η καλή εξυπηρέτηση καθώς και ο καλός διάλογος με το εργαστήριο ανάπτυξης και εφαρμογών στο έχουν ήδη λύσει πολλές δύσκολες καταστάσεις. Proteus® NETZSCH
Το παλαιότερο όργανο που χρησιμοποιείται σήμερα στο AIT είναι το Laser-Flash LFA 427, το οποίο λειτουργεί για περισσότερα από 20 χρόνια:
Υλικά αλλαγής φάσης (PCM) για εφαρμογές αποθήκευσης θερμικής ενέργειας
Η αισθητή αποθήκευση θερμικής ενέργειας (STES) είναι σήμερα ο πιο συνηθισμένος τρόπος αποθήκευσης θερμότητας με τη χρήση της θερμοχωρητικότητας του χρησιμοποιούμενου υλικού αποθήκευσης που προκύπτει από την επικρατούσα διαφορά θερμοκρασίας (π.χ. δεξαμενή ζεστού νερού). Η πρόσφατη τεχνολογία περιλαμβάνει τη λανθάνουσα αποθήκευση θερμικής ενέργειας (LTES), η οποία χρησιμοποιεί τη θερμότητα της αλλαγής φάσης ενός υλικού. Η κύρια διαφορά μεταξύ της χρήσης των PCMs και των υλικών STES σε μια εφαρμογή αποθήκευσης θερμότητας είναι ότι, στα πρώτα, η αποθηκευμένη θερμότητα βρίσκεται εντός ενός στενού εύρους θερμοκρασιών και η θερμοκρασία μετάβασης φάσης είναι σταθερή. Αυτό το χαρακτηριστικό χρησιμοποιείται για συγκεκριμένες εφαρμογές, π.χ. σε κτιριακές εφαρμογές. Οι προκλήσεις στη διαδικασία μέτρησης είναι η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας αλλαγής φάσης ή μετάβασης, Tt, των πραγματικών ενθαλπιών μετάβασης φάσης, Δht, και της ειδικής θερμοχωρητικότητας, Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp(T), των διαφόρων φάσεων.
Το PCM που ερευνήθηκε ήταν ένα εμπορικά διαθέσιμο κερί παραφίνης με εύρος θερμοκρασίας τήξης από 69°C έως 71°C, διαφορά ενθαλπίας Δh = 260 kJ kg-1 από 62°C έως 77°C και ειδική θερμοχωρητικότητα Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp = 2 kJ kg-1 K-1σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.
Τα ακόλουθα πειράματα DSC διεξήχθησαν με DSC NETZSCH 204 F1 εξοπλισμένο με αισθητήρα DSC τύπου-E. Τα χωνευτήρια αλουμινίου όγκου 25 μl γεμίστηκαν με το PCM και συγκολλήθηκαν εν ψυχρώ με καπάκια. Τα στερεά οργανικά δείγματα κόπηκαν ώστε να έχουν μία επίπεδη πλευρά, ώστε να εξασφαλίζεται καλή επαφή μεταξύ του δείγματος και του πυθμένα του χωνευτηρίου. Τα πειράματα DSC διεξήχθησαν με δύο διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης, με β = 0,25 K min-1 και β = 10 K min-1, καιμε ατμόσφαιρα αερίου αζώτου ελεγχόμενης ροής μάζας.
Σχήμα 3 (α): Αποτελέσματα του φαινομενικού Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp(T) από μετρήσεις DSC με κερί παραφίνης σε β = 0,25 K min-1 και β = 10 K min-1
Στο Σχήμα 3 απεικονίζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων DSC στο οργανικό PCM σε δύο διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης. Τα αποτελέσματα για τον χαμηλό ρυθμό θέρμανσης με β = 0,25 K min-1 οδήγησαν σε μια απότομη κορυφή αλλά και σε μεγάλες αβεβαιότητες στη στερεά ή υγρή φάση όσον αφορά την πραγματική ειδική θερμοχωρητικότητα, Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp(T). Ο ταχύτερος ρυθμός θέρμανσης με β = 10 K min-1 υποδεικνύει μια συγκεχυμένη αναπαράσταση της περιοχής τήξης αλλά πολύ πιο ακριβή αποτελέσματα για την πραγματική ειδική θερμοχωρητικότητα cp(T) στη στερεά ή υγρή φάση.
Από αυτά τα αποτελέσματα συμπεράναμε ότι η αξιολόγηση των χαρακτηριστικών θερμοκρασιών και των ενθαλπιών μετασχηματισμού απαιτεί πολλαπλές μετρήσεις DSC με διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης για την επίτευξη ουσιαστικών αποτελεσμάτων όσον αφορά τη θερμοκρασία και την ενθαλπία μετάβασης φάσης, καθώς και όσον αφορά την ειδική θερμοχωρητικότητα, αποκλείοντας παράλληλα τις διεργασίες θερμικής μεταφοράς εντός του δείγματος.
Μετρήσεις αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας και ειδικής θερμοχωρητικότητας σε κυψέλες μπαταρίας
Η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα λeff(T)σε διαφορετικές κατευθύνσεις των κυψελών μπαταριών, καθώς και η ειδική θερμοχωρητικότητα cp(T) είναι ουσιαστικής σημασίας για την κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς και της θερμικής διαχείρισης των συστοιχιών μπαταριών.
Τα ακόλουθα πειράματα επικεντρώθηκαν στη χρήση του NETZSCH Laser Flash LFA 427, του NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® και του NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 για την αξιολόγηση αυτών των ιδιοτήτων. Το LFA 427 και το DSC 204 F1 χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας a(T) στη διεύθυνση του επιπέδου και της cp(T) των υλικών ανόδου, καθόδου, διαχωριστή και θήκης ενός τεμαχισμένου στοιχείου θήκης ιόντων λιθίου. Η μέθοδος HFM εφαρμόστηκε για την αξιολόγηση των cp(T) και λeff(T)ενός κυττάρου θήκης ιόντων λιθίου κάθετα στην επιφάνεια της θήκης σε διαφορετική κατάσταση φόρτισης (SoC).
Σχήμα 4: Μετρήσεις LFA (δεξιά) και DSC (αριστερά) στο υλικό της θήκης ενός κυττάρου θήκης
Στο Σχήμα 4 απεικονίζονται τα αποτελέσματα cp(T) και a(T ) για το υλικό της θήκης του εξεταζόμενου κυττάρου μπαταρίας θήκης. Αυτή η διαδικασία μέτρησης διεξήχθη με όλα τα στερεά συστατικά του κελιού μπαταρίας pouch για την αξιολόγηση της αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας στη διεύθυνση εντός του επιπέδου με βάση πρόσθετους υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων.
Εικόνα 5: αριστερά: Δεξιά: κύτταρα του θύλακα στοιβαγμένα στο HFM 446: Αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα με βάση τις μετρήσεις του HFM 446
Στο Σχήμα 5 απεικονίζεται η διάταξη μέτρησης για τη μέτρηση της αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας στο επίπεδο με το HFM 446 και τη στοίβα κυψελών pouch στην αριστερή πλευρά, καθώς και τα ληφθέντα αποτελέσματα στη δεξιά πλευρά.
Η διαδικασία μέτρησης με βάση τη μέθοδο μέτρησης HFM 446 με το εφαρμοσμένο σετ επέκτασης και τη στοίβα κυψελών pouch έδειξε καλή αναπαραγωγιμότητα για λeff(T)με λeff = 0.715 W m-1 K-1 σε T = 25°C και διευρυμένη συνδυασμένη αβεβαιότητα U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Οι διαφορές στο λeff(T) λόγω του SoC δεν μπόρεσαν να επιλυθούν στα αποτελέσματα.
Τα δεδομένα που προσδιορίστηκαν από τογια τα cp(T) και a(T) στη διεύθυνση στο επίπεδο του συστατικού της θήκης επεξεργάστηκαν σε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FE) για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας στο επίπεδο ολόκληρου του κυττάρου της θήκης με λeff = 52,54 W m-1 K-1.
Τα αξιολογημένα αποτελέσματα δείχνουν ότι το HFM είναι μια κατάλληλη μη καταστροφική μέθοδος για την ανάλυση της πραγματικής θερμικής αγωγιμότητας στη διεύθυνση δια του επιπέδου για τα κύτταρα του θύλακα. Η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα στη διεύθυνση εντός του επιπέδου μπορεί να προσδιοριστεί με τον τεμαχισμό του κελιού στα συστατικά του για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας εντός του επιπέδου, καθώς και της ειδικής θερμοχωρητικότητας και της πυκνότητας. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία σε ένα μοντέλο FE για την αξιολόγηση της αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας στο επίπεδο.
Σχετικά με τον συγγραφέα:
Daniel Lager, MSc εργάζεται στον τομέα της θερμοφυσικής και της θερμικής ανάλυσης από το 2007. Από το 2019 είναι επικεφαλής του σχετικού διαπιστευμένου εργαστηρίου στο AIT Austrian Institute of Technology GmbH. Το 2017 έλαβε διδακτορικό δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Βιέννης (TU Wien) για τη διατριβή του σχετικά με τον θερμοφυσικό χαρακτηρισμό υλικών αποθήκευσης θερμότητας. Έχει συγγράψει και συνυπογράψει πολυάριθμες δημοσιεύσεις.
Το 2005, απέκτησε πτυχίο ηλεκτρονικών από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών Technikum-Wien, ενώ το 2008 ακολούθησε μεταπτυχιακό δίπλωμα στις επιστήμες βιοϊατρικής μηχανικής.
Παράλληλα με την εργασία του στο AIT, είναι εξωτερικός λέκτορας στο Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών Burgenland. Κατά τη διάρκεια της επαγγελματικής του σταδιοδρομίας, ο Daniel Lager είχε επίσης τη δυνατότητα να αποκτήσει εμπειρία ως φυσικός συστημάτων για έναν επιταχυντή σωματιδίων για θεραπεία ιόντων, ως μηχανικός συστημάτων για συστήματα μετάδοσης δεδομένων σε εφαρμογές δημόσιας ασφάλειας, ως προγραμματιστής λογισμικού για συστήματα ανίχνευσης βλαβών και ως researcher στον τομέα της επίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Παρακολουθήστε το αντίστοιχο διαδικτυακό σεμινάριο!
Σε αυτό το διαδικτυακό σεμινάριο, ο Dr. Daniel Lager παρουσιάζει τις σύγχρονες μεθοδολογίες μέτρησης των θερμοφυσικών ιδιοτήτων των υλικών αποθήκευσης ενέργειας. Εστιάζοντας στην ειδική θερμοχωρητικότηταcp(T), την ενθαλπία μετάβασης φάσηςHt, την ενθαλπία αντίδρασης Hr, τη θερμική διαχυτότητα a(T), τη θερμική αγωγιμότητα λ(T) και τις χαρακτηριστικές θερμοκρασίες T, εκτελεί, συγκρίνει και αξιολογεί διάφορες τυποποιημένες αλλά και νέες τεχνικές μέτρησης με βάση τις διαθέσιμες μεθόδους μέτρησης. Προσέξτε τώρα!