المستخلص:
مادة جديدة لتخزين الطاقة بتقنية تغيير الطور. مع التطور السريع لتقنيات تخزين الطاقة، وتبديد الحرارة الإلكترونية، وترشيد استهلاك الطاقة في المباني، والتحكم في درجة حرارة بطاريات الطاقة، أصبحت مواد تغيير الطور (PCMs) محورًا رئيسيًا للبحث في مجال الإدارة الحرارية، وذلك لما تتميز به من مزايا في تخزين الحرارة وإطلاقها عند درجة حرارة ثابتة، وكفاءة عالية في استخدام الطاقة، وبنية بسيطة. يُعد البارافين، كمادة عضوية نموذجية لتغيير الطور، من المواد واسعة الانتشار نظرًا لتوافره بكثرة، وانخفاض تكلفته، وارتفاع حرارة تغيير الطور الكامنة فيه، واستقراره الكيميائي الممتاز، وانخفاض ظاهرة التبريد الفائق وانفصال الطور فيه. مع ذلك، يعاني البارافين النقي من عيوب متأصلة، منها انخفاض الموصلية الحرارية، وسهولة التسرب بعد الانصهار، وضعف استقرار دورات التشغيل، مما يحد بشدة من استخدامه في تطبيقات التحكم الدقيق في درجة الحرارة، وتبديد الحرارة عالي الطاقة، والاستخدام طويل الأمد. تلخص هذه الورقة بشكل منهجي مزايا وقيود مواد تغيير الطور البارافينية، وتحلل بشكل مؤكد آلية وقيمة تطبيق تقنية تعديل التغليف بالكبسولات الدقيقة، بهدف توفير مراجع لأبحاث التحسين والتطبيق الهندسي لمواد تخزين الطاقة بتغيير الطور. كينفا تك بإمكاننا توفير مواد تخزين الطاقة ذات تغيير الطور للعملاء الحلول الحرارية.
1. مزايا وقيمة تطبيق مواد تغيير الطور البارافينية
تمتص مواد تغيير الطور الحرارة وتطلقها من خلال تحول الطور من الحالة الصلبة إلى السائلة، وتحافظ على درجة حرارة ثابتة خلال فترة تغيير الطور، مما يُظهر قدرات ممتازة في تخزين الطاقة الحرارية وتنظيم درجة الحرارة. ومن بين أنظمة تغيير الطور المختلفة، تُعد المواد القائمة على البارافين أكثر مواد تغيير الطور العضوية نضجًا في مجال التصنيع والبحث العلمي.
تتجلى المزايا الأساسية للبارافين في أربعة جوانب. أولاً، يُستخلص بشكل رئيسي من منتجات تكرير البترول، ما يجعله متوفراً بكثرة من المواد الخام وبتكلفة إنتاج منخفضة، وهو ما يجعله مناسباً للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق. ثانياً، يتميز البارافين بقدرة فائقة على تخزين الحرارة، حيث تبلغ حرارة التحول الطوري الكامنة 150-250 جول/غرام، مما يوفر كثافة تخزين طاقة عالية وأداءً متميزاً في التحكم بدرجة الحرارة. ثالثاً، يتمتع البارافين بثبات كيميائي جيد، فهو نادراً ما يتحلل أو يتأكسد في ظل درجات الحرارة العادية وظروف التشغيل التقليدية. كما أنه غير قابل للتآكل ومتوافق مع معظم المواد الأساسية وبيئات الأجهزة. رابعاً، تتميز عملية التحول الطوري بالثبات دون حدوث تبريد فائق أو انفصال طوري واضح، ما يوفر نطاقاً ضيقاً لدرجة حرارة التحول الطوري ودقة عالية في التحكم بدرجة الحرارة. ويمكن استخدامه على نطاق واسع في تبديد الحرارة في المعدات الإلكترونية. الإدارة الحرارية للبطارية، التحكم في درجة الحرارة الثابتة للمباني، وتخزين الطاقة الحرارية المهدرة الصناعية، وغيرها من المجالات.
بفضل الأداء الشامل المذكور أعلاه، لطالما كانت مواد تغيير الطور البارافينية هي المواد الأساسية في مجال تخزين الطاقة وإدارة الحرارة في درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة، مع إمكانات تطبيق هندسية كبيرة.
2. عيوب الأداء الرئيسية لمواد تغيير الطور المصنوعة من البارافين النقي
على الرغم من الخصائص الشاملة الممتازة للبارافين، إلا أن البارافين النقي يعاني من عيبين متأصلين لا مفر منهما، وهما مشكلتان تقنيتان أساسيتان تحتاجان إلى حل عاجل في الصناعة.
أولاً وقبل كل شيء، لديه موصلية حرارية جوهرية منخفضة للغايةتبلغ الموصلية الحرارية للبارافين النقي 0.15-0.25 واط/(متر·كلفن)، وهو ما يجعله مادة عضوية نموذجية ذات موصلية حرارية منخفضة. يؤدي هذا الانخفاض في الموصلية الحرارية إلى بطء امتصاص الحرارة في مرحلة تخزينها، وتأخر إطلاقها في مرحلة تبديدها، مما يحد من كفاءة نقل الحرارة. في ظل ظروف التشغيل ذات القدرة العالية وكثافة توليد الحرارة العالية، لا تستجيب المادة لتغيرات درجة الحرارة بسرعة، مما يؤدي بسهولة إلى تراكم الحرارة وارتفاع درجة الحرارة الموضعي. هذا يقلل بشكل كبير من فعالية التحكم في درجة الحرارة، ويقيد استخدامها في الإلكترونيات عالية الدقة، وبطاريات الطاقة، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب معايير عالية.
ثانيًا، يحتوي البارافين النقي على تسرب خطير للانصهار وضعف الاستقرار الهيكلييتعرض البارافين لتمدد حجمي كبير يتراوح بين 15% و30% أثناء تحوله من الحالة الصلبة إلى السائلة. يتميز البارافين النقي غير المقيد بسيولة عالية بعد انصهاره، مما يجعله عرضة للتسرب والتدفق. ومع تكرار دورات التسخين والتبريد، تتفاقم مشكلة التسرب، مما يؤدي إلى فقدان مواد تغيير الطور وانخفاض سعة تخزين الحرارة. في الوقت نفسه، يُلوث البارافين السائل المتسرب هيكل الجهاز، مما يُهدد سلامة الأجهزة واستقرارها على المدى الطويل. لذلك، لا يُمكن استخدام البارافين النقي بشكل مباشر ومستقل، ويُعد تعديله وتغليفه ضروريين لتحقيق استقرار شكله.
3. آلية وتأثير تحسين تعديل تغليف الكبسولات الدقيقة
لحل مشكلتي انخفاض الموصلية الحرارية وسهولة تسرب البارافين، تم تطوير طرق تعديل متعددة، تشمل تشكيل الامتزاز، وإعادة تركيب الحامل المسامي، ومركب الهيكل المعدني، والتغليف بالكبسولات الدقيقة. ومن بينها، يُعد تغليف الكبسولات الدقيقة أحد أكثر تقنيات التعديل شيوعًا وفعالية لتطبيقات عالية الدقة والاستقرار..
مواد تغيير الطور المغلفة مجهريًا هي جسيمات دقيقة نانوية ذات بنية أساسية وغلاف، يتم تصنيعها بطرق فيزيائية أو كيميائية، مع مواد صلبة أو والسائلة يستخدم هذا المنتج البارافين كمادة أساسية، والبوليمر أو السيليكا أو طلاء مركب غير عضوي كمادة غلاف. تعمل هذه التقنية على تغليف البارافين بالكامل داخل غلاف كبسولة دقيقة مضغوطة، وتحدث عملية تغيير الطور داخل الكبسولة فقط، مما يحل جذرياً عيوب استخدام مواد البارافين التقليدية.
من ناحية أخرى، بنية الكبسولة الدقيقة يقضي تمامًا على تسرب الانصهاريُحكم الغلاف الكثيف والمستقر إغلاق البارافين السائل المنصهر أثناء عملية التحول الطوري، مانعًا تدفق المادة وتسربها وفقدانها. ويُحسّن هذا الغلاف بشكل ملحوظ من عمر الخدمة واستقرار بنية المادة، مُعالجًا بذلك أكبر عائق يُقيّد استخدام البارافين على المدى الطويل.
من ناحية أخرى، تعديل الكبسولات الدقيقة يعمل بشكل فعال على تحسين التوصيل الحراري وكفاءة نقل الحرارةيتميز البارافين النقي بكمياته الكبيرة بصغر مساحة التلامس ووجود سطح واحد لنقل الحرارة. في المقابل، تتمتع جزيئات الكبسولات الدقيقة بمساحة سطحية نوعية كبيرة، ويمكن توزيعها بشكل متجانس في المادة الأساسية، مما يزيد بشكل كبير من مساحة نقل الحرارة بين مواد تغيير الطور والمادة الأساسية الخارجية، ويعزز نقل الحرارة. في الوقت نفسه، يمكن استخدام مواد غلاف ذات موصلية حرارية عالية أو إضافة مواد مالئة موصلة حرارياً لتعويض انخفاض الموصلية الحرارية للبارافين، مما يحقق تحسيناً متناسقاً في كل من سعة تخزين الحرارة والموصلية الحرارية.
4- يتميز المركب بأداء شامل ممتاز في الاستقرار الحراري وقدرة تخزين الحرارة.
أثناء اختبارات الثبات الحراري، قام المهندسون في كينفا أُجريت مقارنات منهجية بين شمع البارافين النقي والمادة المركبة. وكشفت نتائج الاختبارات أن شمع البارافين النقي يعاني من تسرب شديد وسريع عند ارتفاع درجة الحرارة، بينما تحافظ المادة المركبة على سلامتها الهيكلية حتى في درجات الحرارة المرتفعة. وإلى جانب أدائها المتميز في تخزين الطاقة الحرارية، تُظهر المادة المركبة أداءً بارزًا في التحويل الكهروضوئي. ففي ظل إشعاع شمسي مُحاكى، تقوم أنابيب الكربون النانوية ذات القطر الكبير بالتقاط الطاقة الشمسية بسرعة وتحويلها إلى حرارة، والتي تُنقل بدورها إلى مصفوفة البارافين لتخزينها حراريًا.
تُظهر البيانات التجريبية أنه تحت إشعاع شمسي مُحاكى قدره 150 ميلي واط/سم²، ترتفع درجة حرارة سطح المركب إلى 79.9 درجة مئوية خلال 220 ثانية بمعدل تسخين متوسط يبلغ حوالي 0.23 درجة مئوية/ثانية، متفوقًا بذلك بشكل ملحوظ على البارافين النقي. وتؤكد حسابات إضافية أجراها فريق البحث أن المركب يحقق كفاءة تحويل ضوئي حراري تبلغ 91.9%. ويعزو فريق البحث والتطوير في شركة KENFA هذا الأداء المتميز بشكل أساسي إلى خاصية امتصاص الضوء الاستثنائية لأنابيب الكربون النانوية ذات القطر الكبير وشبكة التوصيل الحراري المتصلة بها. يُسرّع هذا التصميم انتشار الحرارة بشكل متجانس لمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعي وتحسين كفاءة الاستجابة الحرارية الإجمالية.
5- يحقق المركب ارتفاعًا سريعًا في درجة الحرارة وأداءً متميزًا في التحويل الكهروضوئي تحت إشعاع شمسي محاكى.
لزيادة فهم آلية التفاعل الداخلي للمادة المركبة، قام فريق بحثي من شركة KENFA بتحليل توزيع البارافين داخل أنابيب الكربون باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية. وتشير النتائج إلى أن جزيئات البارافين تميل إلى الترتيب بشكل منتظم على طول الجدار الداخلي للأنبوب، وأنها محصورة بشكل كبير بالبنية الهندسية لأنابيب الكربون.
خلصت الدراسة إلى أن البنية المجوفة لأنابيب الكربون النانوية ذات القطر الكبير تحد بفعالية من سيولة البارافين المنصهر، مما يحسن من قدرة المواد المركبة على منع التسرب واستقرارها الحراري. وفي الوقت نفسه، تشكل شبكة الكربون المترابطة مسارات فعالة لتوصيل الحرارة، مما يتيح تحسينًا متناسقًا لتخزين الحرارة والتوصيل الحراري.
ملخص واحتمال
بفضل حرارته الكامنة العالية، وثباته الممتاز، وتكلفته المنخفضة، لطالما كان البارافين مادة أساسية لتخزين الطاقة عبر تغيير الطور في درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة. إلا أن عيوبه المتأصلة، كالتوصيل الحراري المنخفض وسهولة التسرب، تحدّ بشدة من تطويره صناعيًا. من خلال تصميم بنية الغلاف واللب، تُعالج تقنية التغليف بالكبسولات الدقيقة مشكلة تسرب البارافين تمامًا، وتُحسّن ثبات المواد خلال دورات التشغيل، وتُحسّن أداء نقل الحرارة عبر السطح البيني، ما يُشكّل مخططًا تعديليًا ممتازًا يُوازن بين أداء تخزين الطاقة، والثبات، والجدوى العملية.
في المستقبل، من خلال تحسين تركيبة مواد غلاف الكبسولة، وإدخال مواد مالئة ذات موصلية حرارية عالية مثل الجرافين ونيتريد البورون والألومينا، وتنظيم بنية حجم جسيمات الكبسولة، سيتم الحصول على نظام متكامل لمواد تغيير الطور مع قدرة عالية على تخزين الحرارة، موصلية حرارية عالية، انعدام التسرب، وعمر خدمة طويل يمكن تحقيق ذلك. يتمتع هذا البحث بآفاق تطبيق واسعة في مجالات إدارة الطاقة الحرارية، وترشيد استهلاك الطاقة في المباني الذكية، والتحكم الدقيق في درجة حرارة المعدات، وتخزين طاقة الحرارة المهدرة في الصناعة، وغيرها. يقدم هذا البحث مسارًا جديدًا لتصميم مواد تخزين طاقة عالية الاستقرار تعتمد على تغيير الطور، ويوفر مراجع لتطبيق المركبات الكربونية في إدارة الطاقة الحرارية واستخدام الطاقة الشمسية الحرارية. من المتوقع أن تجد هذه المواد في المستقبل تطبيقات واعدة في ترشيد استهلاك الطاقة في المباني، وإدارة الطاقة الحرارية المرنة، وتخزين الطاقة الشمسية الحرارية، والتحكم الحراري في مجال الطيران. يمكن لفريق البحث والتطوير في شركة KENFA التعاون مع العملاء لتطوير تقنيات متطورة لإدارة الطاقة الحرارية. يمكنكم التواصل معنا عبر البريد الإلكتروني king@kenfatech.com
