使用可再生能源有望带来许多“令人垂涎的特权”：节省大量资源，改善环境条件，甚至在地球某些地区带来社会变革。然而，为了充分利用这些益处，有必要学习如何有效地存储所收集但未使用的能量。目前，地下存储是一种非常普遍的方法。例如，在他们的帮助下，有可能在冬季使用夏季收集的多余太阳能。哈雷-威登堡大学的科学家。马丁·路德（德国）决定测试在地下热能存储设施中使用石蜡是否能使它们更可靠，耐用和高效。为了验证这个想法进行了哪些实验，它们表明了什么，蜡像科学家们想象的一样好吗？我们从研究人员的报告中了解到这一点。走。
研究依据
显然，并非在我们美丽星球的所有地区，相同的可再生能源将全年产生相同的产出。太阳能就是一个很好的例子。
有几种方法可以存储多余的累积能量（在这种情况下，以热的形式）：潜能，化学，机械等。
潜热蓄能器利用相变效应（例如水/冰），而热化学蓄能器则基于可逆的吸热反应（例如盐水合）。这些特定的方法非常有效，但是由于高昂的初始材料成本而很少使用。
另一种常见的技术是将热能存储在大型的人工地上池中。作为这种结构中的热载体，使用了体积为数千立方米的水或充满水的砾石。
有许多种存储方法，它们都可以在某种程度上起作用，但是也存在一些问题，其中一些问题对于所有方法都是通用的。最明显的问题是热量损失。
为避免泄漏，热载体所在的水池（例如水）必须密封且导热系数低。目前，此问题的解决方案是使用薄塑料外壳。但是，用于此外壳的材料并不理想，因此仍然存在泄漏。其原因可能是绝缘材料的质量差或易碎，导致冷却剂与环境之间的接触，从而降低了整个系统的效率。
鉴于上述问题，科学家决定测试使用蜡作为绝缘材料以防止存储设施中发生热泄漏的可能性。
石蜡是具有不同碳原子数的烃分子的混合物。软和硬石蜡的C链长度在20到60之间，并且该值控制材料的熔点和凝固点。例如，在42°C的固化温度和40°C的熔点下，分子的链长约为21个碳原子。石蜡在存储区域的普及还可以通过相当好的熔融比热指标（从150 kJ / kg到220 kJ / kg）和较低的导热率（从0.15 W / m K到0.30 W / m K）来解释，这要低一个数量级。比水饱和的砾石-约2.4 W / mK）。另外，石蜡是疏水且无毒的材料。
表达美丽的理论是一回事，拥有其可靠性的事实证据则是另一回事。为此，科学家进行了一系列实验，其中实施了各种条件组合（温度条件，被测石蜡膜的厚度等）。
准备实验
在研究的第一阶段，科学家测量了在PTES（用于坑式热能存储）结构的密封层的两部分内部使用石蜡时的能量损失。
图像＃1：用于测试热性能的实验装置图（顶视图），显示温度传感器和所用材料（PVC-聚氯乙烯薄膜； PS-聚苯乙烯玻璃板）的位置。
图片2：使用黑色PVC膜（a）和（bd）PS作为密封层的实验装置的照片。图例：1-周围材料； 2-石蜡绝缘层; 3-PVC薄膜; 4-水; 5-PS密封板； 6、7-石蜡/水中的温度传感器； 8-加热装置； 9-相机。
尺寸为1000 x 300 x 600 mm（长，宽，高）的丙烯酸玻璃容器用作外部围栏。内部是一个小型的储热装置，以去离子水为载体。蓄能器本身（600 x 200 x 400 mm）另外被密封在内部密封壳中。
在第一批实验中，使用5毫米厚的硬质聚苯乙烯玻璃（PS）板进行密封。在第二系列实验中，用0.5毫米厚的聚氯乙烯（PVC或PVC）膜代替PS板，该膜通常用于密封现有储罐。
科学家注意到，PS和PVC片材之间的比较使他们可以专注于绝缘系统中包含石蜡的潜在机械变形，该绝缘系统嵌入在容器短边之一（2a和2b）上的密封膜层之间。
在实验中使用纯石蜡。在密封膜内部，它分布在整个表面上而没有空隙（孔），而石蜡复合材料则不会。
在一系列使用PS板的实验中，石蜡层的厚度为20 mm（2b），体积为1600 ml。在PVC的一系列实验中，参数相同（2a）。所使用的蜡在42°C时具有较低的凝固点，在40°C时具有熔点。
容器的顶盖由透明塑料薄膜制成，以最大程度地减少蒸发的影响。泡沫玻璃颗粒用于进一步保护实验不受环境影响，并模拟真实条件下储罐周围土壤的颗粒性质。考虑到这种材料是可回收的，并且颗粒尺寸不超过5–8 mm，因此它还可以作为外部隔热材料（导热系数λ= 0.084 W / mK）。
电功率为2 kW（2c和2d的实验室恒温器），而在水柱中央安装了带循环泵的加热元件。因此，在水池中没有热分层的情况下，模仿了直接加载程序，并且在环境的所有区域都实现了均匀的温度分布。两个Keysight 34901A 20通道多路复用器和一个Keysight 34972A用于温度测量和数据记录。总共连接了15个温度传感器（2d）Pt100（特性：不锈钢，防水，4根电线，长度500 mm，测量尖端20 mm，精度1/10 DIN）。
传感器的精度直接取决于温度。在所有实验的温度范围内，温度范围为±0.04°C（在20°C下）至±0.06°C（在60°C下）。三个传感器直接以不同的高度嵌入蜡本身中。
使用已安装的高清摄像机对实验进行视觉监控。
图片3：a-确定热特性的实验过程图； b-实验阶段（粉红色-由于相位随机性影响而导致的加热/冷却延迟；线条：蓝色-水，绿色-石蜡，黄色-周围物质）。
研究的第二阶段在于检查使用石蜡的热损失。
泄漏测试已经证实了在防水存储膜中使用石蜡时所需的自我修复机制。由于石蜡以其纯净的形式使用，它与内层和外层的界面直接发生热转变，因此必须在加热阶段首先熔化。随后，它应为疏水性流动液体的形式，以在发生泄漏的情况下封闭通向较冷的周围材料的通道。
图像＃4：用于检查泄漏（绿色-石蜡，蓝色-水，红色-PVC层，黄色-周围材料）的实验装置图。点表示传感器的位置。
图片5：a-实验装置的照片； b-带有逃逸的石蜡的PVC膜的裂缝； c-含石蜡的砂； d-周围材料与充满石蜡的孔之间的不可渗透连接。
操作和测量设备（传感器，加热装置等）与先前的实验设置相同。差异仅在某些尺寸上：聚苯乙烯外壳较小（400 x 200 x 200 mm），周围的材料仅安装在容器（5a）的一侧。石蜡层20毫米厚（800厘米3）与内部去离子水填充（280 mm x 200 mm x 200 mm）直接接触。在外部PS板上，一个50 x 50 mm的窗口覆盖有PVC膜，以模拟各种类型的密封剂泄漏，例如裂缝，大孔和穿孔区域（5b）。
容器周围材料的面积最终为100 x 200 x 200 mm，这使得可以清晰地观察并相当准确地测量石蜡的产率及其分散度（5c和5b）。
周围的物质是两种物质，每种物质分别用于单独的一系列实验中：细砂（粒度：0.063至2 mm）用于模拟真实条件；直径为3毫米的玻璃球，以模拟理想的晶粒结构，并在具有高度多孔性的环境（5a）中测试熔融蜡的行为。
图6：a-泄漏实验过程示意图；b是在泄漏之后形成的蜡区域的顶视图。
实验结果
下图（＃7和＃8）显示了六个选定实验设置在加热和冷却阶段的热性能测试结果。
7号图：a-由于石蜡的熔化而延迟了实验室储热器的加热； b-在加热阶段，石蜡中的其他累积热量。
图8：a-由于石蜡硬化，实验室蓄热器的冷却延迟； b-石蜡释放的额外热量，在冷却阶段测得。
科学家注意到，在评估延时摄影时已经可以看到实验的第一个积极结果，因为即使在低温下也可以观察到液体成分。因此，即使目标温度低于使用过的石蜡熔点的实验也显示出显着的阻滞和储热/再利用效果。
这可能是由于石蜡的组成，因为实验中使用的石蜡不是高度纯化的材料。由于它包含不同长度的烃分子，因此在加热或冷却时会发生分馏，并且不同的局部区域会在不同的温度范围内融化并凝固。
应当指出的是，这适用于所有引起的相变，不是导致清晰和尖锐，而是导致软而缓慢的过渡。
此外，我们分析了使用PVC膜时石蜡层在熔化过程中的变形。由于填料向周围材料施加的压力，石蜡的位移导致楔形凸起。结果，绝缘石蜡层的厚度在垂直方向上变得不均匀（顶部较厚，由于位移已经较低）。然而，可以通过使用附加的聚苯乙烯绝缘膜来减轻这种副作用。
在分析了视觉数据（摄像机记录）之后，科学家们开始分析温度数据，从加热阶段开始（图像7）。分析显示，在所有六个测试选项中，由于蜡融化而导致的明显延迟。值得注意的是，该阶段相对较短，温度从0.49线性升高至0.71 K / min。
延迟周期值范围（7a）的各种实验设置都很大，从360到1600 s（平均融化延迟约为1000 s）。该数字比使用常规PVC薄膜的情况高80％。因此，所有测试的结果证实了使用石蜡的效果达到了预期：蜡熔化过程可以有效地延迟存储的快速装料。另外，这些测试还表明侧向热损失减少了。
图3b显示了延迟时间与加热阶段中积累的热能之间存在密切相关性（7b）。因此，能量值也显示出较大的波动，范围从4.21至12.44 kJ / kg，平均值为6.55 kJ / kg。这些值相当小，但是，快速加热会加剧检测较慢熔融过程的速度。
至于密封材料，其作用是微不足道的。在相同温度下，PVC和PS之间的差异很小，并且PS的值等于5.78 kJ / kg，并不比所有PVC实验的平均值6.71 kJ / kg高很多。
基于最常见的热能存储系统（PTES），存储量为50,000 m 3，石蜡层的厚度应约为0.1 m，体积为1000 m 3。
结果最终表明，存储容量从大约3.16·106 MJ（0.88 MWh）增加到9.33·106 MJ（2.59 MWh）。换句话说，使用石蜡会稍微增加储存的能量。尽管差异不是很大，但鉴于石蜡的本质不是增加体积而是保持体积（防止泄漏），因此可以认为是令人愉悦的奖励。
此外，在冷却阶段对蜡的动力学和对系统的影响进行了计算和评估（图像编号8）。
如您所料，冷却阶段不是由线性温度和能量梯度反映的，而是由指数下降（收敛到环境温度）反映的。结果，此阶段需要更长的时间，直到系统温度等于环境温度为止（8a；平均95小时，最大144小时）。
冷却阶段分析的最初结果已经显示出显着差异，因为由石蜡的硬化引起的减速时间要高出几个数量级（8a）。它们从8500 s（〜2.5 h）到大约17000 s（〜4.7 h）不等，平均值为14000 s（〜3.9 h）。此外，在相同温度（34˚C）下PS和PVC值之间的明显差异表明密封材料的显着效果，因为可以使用更多的石蜡来防止变形过程。但是，在较高的工作温度下，没有明显的延迟时间增加的趋势。
通常，冷却阶段延迟的结果表明，在储能方面蜡的更有效的适用性。结果，可以减小朝向环境的热梯度的陡度并且使能量损失最小化。
尽管实验中使用的自然冷却曲线不能充分反映石蜡特殊应用中间歇性的储能和放电条件，但结果证明，当石蜡固化时，回收的能量会延迟冷却。因此，可以在较长的时间内缓冲和补偿短期的放电过程，这导致存储壳体中的温度下降较慢，因此，对密封材料的结构影响较小（因此，对耐用性的影响较小）。
如果我们将实验室结果转化为实际条件，则表明蜡量为1000 m3将提供从12.01 MWh到40.70 MWh（平均28.77 MWh）的额外存储容量。
9号图：使用不同的容器变形形式，测量石蜡形成和周围物质。
众所周知，在我们今天考虑的概念中，石蜡可以作为“堵塞”存储容器外壁变形的“工具”。
由于不同类型的泄漏（裂纹，圆孔等）的形状差异很大，因此考虑其长度或直径是不合适的。因此，决定使用总变形面积作为比较尺寸的辅助参数（图像＃9中的“ A”）。
尽管由于其整体和几何特征而导致的变形动力学不同，但由于石蜡引起的壁自修复技术显示出了极好的效果。原理非常简单：如果发生裂缝（或其他任何变形），石蜡会与周围的材料接触，其温度低到足以使其硬化，从而导致孔堵塞。
为了了解在“修复”变形的情况下总体积会损失多少石蜡，对在此过程中形成的物体的质量和体积进行了比较分析。
图像10：诱导泄漏后形成的物体的质量（a）和体积（b），由石蜡和周围物质组成。
分析表明，石蜡在成型体中的比例为36％至67％。由此得出，石蜡壁损失了其体积的5 cm3至80 cm3。考虑到总体积为800立方米，石蜡的损失很小，范围为1.5％至17％。
这些结果证明，无需大量消耗所用材料即可应用石蜡的自愈特性，并且所提出的方法相当有效。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
几个世纪以来人们一直在使用的许多东西具有以前没有人想到的特性和潜在用途。石蜡就是一个很好的例子。
我们星球上的资源不是无限的，我们消耗的是如此之多。因此，应高度重视可再生能源技术的发展。一些科学家在关注收集绿色能源的同时，其他科学家则试图创造一种完美的存储方式。
这项研究描述的不是新方法，而是对现有方法的修改。在当前适用的地下能量存储中，主要问题是其泄漏。这项工作的作者认为，石蜡可能是解决这一问题的一种廉价而有效的方法。这并不奇怪，因为石蜡具有许多有用的特性：从疏水性到低熔点。
实验结果表明，使用少量的石蜡作为额外的储能外壳可以显着减少泄漏并提高系统的储热能力。
将来，科学家打算弄清楚如何将这种鼓舞人心的实验室结果转化为工业规模，因为随着系统规模的过大增加，其动力学发生了变化。
但是，无论这项研究遇到什么困难，科学家都不会怀疑它的重要性，因为任何新数据，新技术和新发展对于整个人类迫切需要的可再生能源产业都至关重要。
谢谢您的关注，请保持好奇，祝您周末愉快！
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何正确划分服务器？（RAID1和RAID10可用的选件，最多24个内核和最多40GB DDR4）。
阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的Dell R730xd 2x是否便宜？仅在荷兰有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建bldg的基础结构的信息。戴尔R730xd E5-2650 v4服务器上的价格为9000欧元的价格？