Prototyp CATB stworzony na bazie kolektorów słonecznych
Międzynarodowy zespół badaczy pod przewodnictwem Uniwersytetu Zhejiang w Chinach opracował koncepcję oraz prototyp baterii termicznej typu CATB (compression-assisted adsorption thermal battery). Projekt oparto na wykorzystaniu kolektorów słonecznych jako źródła energii.
Rozwiązanie ma poprawić wydajność odzyskiwania ciepła z niskotemperaturowych źródeł. Według zespołu, już w 2011 roku zaproponowano ideę CATB jako odpowiedź na niską efektywność konwencjonalnych baterii adsorpcyjnych (ATB) pracujących w trudnych warunkach. W nowym prototypie wykorzystano energię elektryczną i niskotemperaturowe ciepło w formie potencjału chemicznego.
Sorbenty kompozytowe i amoniak jako para robocza
W nowej konstrukcji wykorzystano sorbenty kompozytowe – połączenie chlorku strontu (SrCl₂), grafitu naturalnego ekspandowanego (ENG) oraz miedzi pokrytej nanowęglem (Cu@C). Sorbenty te odpowiadają za zwiększoną efektywność adsorpcji.
Jako czynnik roboczy zastosowano amoniak, który w procesie sprężania zwiększa wydajność oddawania ciepła. Dzięki obecności sprężarki zmniejsza się zapotrzebowanie na ciepło wejściowe.
Działanie systemu – sezonowe magazynowanie ciepła
Latem do reaktora trafia ciepło z promieniowania słonecznego. Dzięki temu specjalna substancja (halogenek) „oddaje” z siebie amoniak – to proces zwany desorpcją. Amoniak, który staje się gazem, jest następnie schładzany i sprężany (czyli zwiększa się jego ciśnienie). Potem trafia do skraplacza/parownika, gdzie zmienia się z gazu w ciecz – to kondensacja. Po zamknięciu zaworów kończy się proces ładowania baterii.
Zimą, kiedy potrzebne jest ciepło, ciecz (amoniak) zaczyna odparowywać – czyli znów zmienia się w gaz, wykorzystując ciepło z otoczenia. Potem jest znowu sprężana i trafia do reaktora, gdzie dochodzi do adsorpcji – czyli amoniak „przykleja się” do specjalnej substancji w reaktorze. W czasie tego procesu powstaje ciepło, które można przekazać np. do instalacji grzewczej.
Wyniki testów – wzrost mocy cieplnej choćby o 300%
Prototyp CATB wyposażono w reaktor, skraplacz/parownik, sprężarkę oraz elementy pomocnicze, jak kąpiel termostatyczna i zasilacz o zmiennej częstotliwości.
Podczas testów ustalono temperaturę skraplania przy ładowaniu na 10°C, a temperaturę parowania podczas rozładowywania na -10°C. Przy wzroście stopnia sprężania z 1 do 4, maksymalna moc cieplna wzrosła z 309,2 W do 667,2 W, a średnia moc ładowania – z 164,1 W do 316,7 W. W przypadku procesu rozładowywania uzyskano aż 300,1% wzrost średniej mocy wyjściowej.
Potencjał zastosowania – gdzie CATB sprawdzi się najlepiej?
Zespół badaczy wskazuje, iż optymalne warunki do sezonowego magazynowania ciepła występują w rejonach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło zimą oraz wysokim nasłonecznieniu latem. Wśród najbardziej odpowiednich lokalizacji wymienia się północno-zachodnie Chiny, wybrzeże Morza Czarnego, północno-wschodnią Amerykę Północną oraz południową część Ameryki Południowej – wszystkie położone w okolicach 45. równoleżnika na półkuli północnej i południowej.
Źródło: A solar adsorption thermal battery for seasonal energy storage w: „Cell Reports Physical Science”.
