شبیه سازی ذخیره سازی انرژی درون محیط متخلخل با استفاده از ماده تغییر فاز دهنده به کمک روش مقیاس حفره

شبیه سازی ذخیره سازی انرژی درون محیط متخلخل با استفاده از ماده تغییر فاز دهنده به کمک روش مقیاس حفره

ذخیره سازی انرژی در حوزه انرژی های تجدیدپذیر بوده طی سال های اخیر بشدت مورد توجه محققان قرار گرفته است [1-3]. انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی تمیز و پایان ناپذیر جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی میباشد. با این وجود، انرژی خورشیدی مشکل تناوبی بودن بین روز  و شب را دارد. از این رو سیستم های ذخیره سازی انرژی نقش مهمی در بکارگیری دائمی انرژی های نو خواهند داشت. یکی از راه های ذخیره سازی انرژی استفاده از مخازن شامل کپسول‌های کروی که از مواد تغییر فازدهنده پر شده اند، میباشد. در این روش سیال از منافذ بین کپسول ها عبور کرده و انرژی خود را با کپسول های کروی مبادله میکند. چیدمان کپسول های کروی درون مخزن به نوعی باعث ایجاد محیط متخلخل خواهد شد که راندمان ذخیره سازی انرژی را افزایش میدهد. به این ترتیب با توجه به اندازه و شکل کپسول ها و همچنین هندسه مخزن، ضریب تخلخل و ضریب تراوایی محیط متخلخل مشخص خواهد شد.

همانطور که گفته شد درون کپسول ها مواد تغییر فازدهنده مانند پارافین [1] وجود دارد که در حین تبادل انرژی با سیال بیرون ذوب یا منجمد شده و انرژی  به شکل گرمای نهان ذوب یا گرمای نهان انجماد در آن‌ها ذخیره می‌شود. همچنین بجای خود کپسول ها از سنک ها یا نمک های غیر آلی به عنوان ماده تغییر فاز دهنده استفاده میشود. در مراجع [1,2]، از کربنات سه مولفه ای Li₂CO₃–K₂CO₃–Na₂CO₃ به عنوان ماده تغییر فاز دهنده استفاده شده است.

برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت درون محیط متخلخل از دو تکنیک اصلی برای تولید محیط متخلخل با ساختار تصادفی وجود دارد: توموگرافی داده های تجربی و شبیه سازی عددی مبتنی بر روش المان گسسته (DEM). در این تحقیق برای ایجاد محیط متخلخل از روش شبیه سازی المان گسسته DEM استفاده شده است. در برخی از تحقیقات برای سادگی کار کپسول های کروی بصورت منظم درون مخزن چیدمان و مدل میشوند [4] . اما برای دستیابی به نتایج دقیق تر، ذرات بصورت تصادفی  و رندمی درون مخزن پر میشوند. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار EDEM کپسول های کروی درون مخزن بطور تصادفی چیدمان شده اند. یعنی ذرات براساس نیروی گرانش وزنی از بالا به درون مخزن انداخته شده اند که در شکل 1 مشاهده میشود..

برای کاهش هزینه محاسبات قسمتی از مخزن حاوی کپسول ها و سیال اطراف آن مورد تحلیل عددی واقع شده اند. همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود قطاعی از این مخزن مدل شده است. برای سطوح مربوط به محل برش و جدا کردن قطاع مورد نظر از شرط مرزی تناوبی یا پریودیک استفاده میشود. در واقع رفتار بینظم و مسیر تصادفی جریان سیال درون محیط متخلخل چنین شرطی را ایجاب میکند.

برای محاسبه انتقال حرارت ماده تغییر فازدهنده درون کپسول ها از روش آنتالپی استفاده میشود. در این روش آنتالپی کپسول  مجموع گرمای محسوس  و گرمای نهان  در حین تغییر فاز ماده تغییر فاز دهنده محسوب میشود.

در این رابطه $h0$ آنتالپی ماده تغییر فاز دهنده PCM در دمای اولیه است.

 

 

 

در این روابط  $C_{p, PCM}$ ، $\gamma$ و $L$ به ترتیب گرمای ویژه ماده تغییر فاز دهنده، کسر مایع درون کپسول و گرمای نهان ماده تغییر فاز دهنده میباشند. چنانچه y=1 باشد یعنی تمام ماده تغییر فاز دهنده ذوب شده و در حالت مایع قرار دارد و برعکس،  به این معنی است که تمام ماده تغییر فاز دهنده در فاز جامد قرار دارد و عدم وجود فاز مایع درون کپسول را نشان میدهد. مقدار  از رابطه زیر که وابسته به دمای ماده تغییر فاز دهنده است، محاسبه خواهد شد.

 

 

در این رابطه $T_{PCM}$ ، $T_{S}$ و $T_{L}$ به ترتیب دمای لحظه ای ماده تغییر فاز دهنده، دمای ماده تغییر فاز دهنده در ابتدای فرایند ذوب و دمای ماده تغییر فاز دهنده در انتهای فرایند ذوب میباشند.

برای آنالیز انتقال حرارت بین کپسول ها و سیال بیرون آنها، از روش برهمکنش حرارتی بین سیال و سازه استفاده شده است که روش CHT (Conjugate heat transfer) نام دارد.

 

 

مدل محیط متخلخل ایجاد شده توسط شبیه سازی DEM و بکارگیری آن در ANSYS برای شبیه سازی ذخیره سازی انرژی به کمک ذرات کروی حاوی ماده تغییر فاز دهنده

 

 

بکارگیری قطاعی از مدل کامل بستر محیط متخلخل

 

 

توزیع دمای سطح ذرات کروی حاوی ماده تغییر فاز دهنده

 

 

خطوط جریان سیال عبوری از بین ذرات ماده تغییر فاز دهنده در حین فرآیند ذخیره سازی انرژی

 

 

[1]_Experimental and numerical study on the performance of a new high temperature packed-bed thermal energy storage system with macroencapsulation of molten salt phase change material (2018).

[2]_Effect of Radial Porosity Oscillation on the Thermal Performance of Packed Bed Latent Heat Storage (2021).

[3]_Packed bed thermal energy storage system using form-stable high-density polyethylene (2023).

[4]_ Experimental and Pore-scale Analysis of Flow and Thermal Fields in a Packed Bed Channel (2022).