Phase-Change Material
اسپري مي‌خريد تا موهايتان سرجايشان باشند و تكان نخورند، از پوست‌تان در مقابل آفتاب مراقبت كنند، و حتي از لباس ورزشي بازي‌هايي كه در چمن انجام مي‌شود، چمن‌ها را پاك ميكنند. حتي مي‌خريد تا براي آلرژي به دهان‌تان بزنيد و گلويتان باز شود. پس چندان هم جاي تعجب نيست كه چند سال بعد از اسپري براي افزايش انرژي منازل استفاده كنيد. اگر كنار پنجره در زمستان خوابيده باشيد، مي‌دانيد كه گرما از ساختمان فرار مي‌كند. ولي گرما از ساختمان به‌صورت نامحسوس خارج مي‌شود و به‌شيوه‌هاي مختلف هم اين اتفاق مي‌افتد. پس فقط پنجره عامل فرار گرما نيست. گرما از سيستم‌هاي تهويه، ديوارها، سقف هم به‌هدر مي‌رود. بنا به تخمين‌هايي، ديوارهاي عايق نشده عامل هدر رفتن %35 انرژي هستند. اگر ديوار را عايق‌بندي كنيم، به شكل مؤثري مي‌تواند گرما را از دست بدهد. اسپري كردي به ديوار با ماده‌ي جديد روشي است كه برخي دانشمندان در دانشگاه ناتيگهام و نينگبو در چين در حال تحقيق روي آن هستند. اين روش مي‌تواند انرژي و مصرف برق را بهينه كند.
اين ماده به‌عنوان ذخيره‌ساز انرژي با تغيير فاز ماده شناخته مي‌شود كه شبيه نوعي قرص دارويي است، با چيزي بنام ماده تغيير فاز (PCM) درون قرص كه روي آن را پوششي مثل بقيه قرص‌ها پوشانده است.
دراين‌باره، فاز به حالت فيزيكي برمي‌گردد ماده دارد. مثل مايع، جامد و گاز و پلاسما. تغيير فاز زماني اتفاق مي‌افتد كه چنين عاملي باعث تغيير حالت آن شود. اين عامل تغيير دما مي‌تواند باشد كه باعث تبخير، تصعيد يا ميعان مي‌شود. وقتي دماي اطراف جسم جامدي بالا مي‌رود، به نقطه‌ي معيني از دماي ذوب آن جسم كه مي‌رسد، ذوب خواهد شد. دما در طول تغيير فاز ثابت مي‌ماند. بعداً اگر دما حول مايع هم بالا برود درست مشابه جامد مي‌شود، منتهي بخار خواهد شد و دما در حين بخار شد ثابت مي‌ماند.
اگر جسم گرماي زيادي بگيرد، جسم به مايع تبديل مي‌شود، پس مي‌توانيد در همين نقطه ذوب انرژي ذخيره كنيد. اين كليد استفاده از تغيير فاز براي داخل خانه است. يكي از چالش‌هاي بهره‌وري انرژي در ساختمان‌ها، كنترل دماست. يعني مثلاً مي‌خواهيد از نور خورشيد در روز، انرژي گرفته شب‌ها و در هواي سرد استفاده كنيد. بااين‌حال مي‌خواهيد دماي داخلي منزل‌تان ظرف 24 ساعت در تعادل باشد. اگر فقط بخواهيد انرژي ذخيره كنيد و شب‌ها استفاده كنيد، PCM مي‌تواند نقش اساسي داشته باشد.
تصور كنيد، ديواري از اين عايق پوشيده شده كه تنظيم شده دماي اتاقي را تا 70 فارنهايت نگه دارد. عصر، وقتي خورشيد در آسمان است، اتاق گرم مي‌شود و PCM گرماي اضافي را كه باعث بالا رفتم دما مي‌شود، جذب مي‌كند. وقتي دماي آن به نقطه ذوب مي‌رسد، اين گرماي اضافي همچنان جذب ماده مذبور مي‌شود، ولي حالا فاز تغيير مي‌كند. شب‌هنگام خورشيد غروب كرده و اتاق سرد مي‌شود و زير 70 درجه فارنهايت مي‌آيد. اين ماده شروع مي‌كند به آزادسازي انرژي ذخيره شده در قالب گرما و اتاق همچنان در دماي تعادل باقي مي‌ماند.
 |
اين نوع ماده چيز جديدي نيست ولي دانشمندان در دانشگاه ناتيگهام و نينگبو كليد پيشرفت و توسعه آن را در اين حوزه زدند، وآن را از يك ايده به واقعيت نزديك‌تر كردند. جزييات اين طرح منتشر نشده ولي راهي را پيدا كرده‌اند كه عكس‌العمل اين ماده را نسبت به گرما بالاتر مي‌برند و زمان آزادي‌سازي گرما را تنظيم ميكنند. بعلاوه راهي را براي ارزان تمام كردن آن يافته‌اند.
|
اين ماده هنوز براي استفاده‌ي تجاري آماده نيست، ولي محققين همچنان روي اسپري مذكور در حال تحقيق هستند تا اينكه بتوانند روي ديوارها امتحان كنند. البته به دنبال استفاده از نقاشي يا كاغذ ديواري با همين كاربرد هم هستند. بعلاوه دمايي كه اين ماده شروع به جذب گرما مي‌كند در حال حاضر قابل توليد است. ولي دانشمندان ايده‌آل‌تر به قضيه نگاه ميكنند، و مي‌خواهند اين ماده براي تمام دماها بخصوص دماي مطلوب استفاده كننده قابل تنظيم و استفاده باشد
كاربردهاي احتمالي اين ماده‌ي جديد فراتر از تنظيم دماي ساختمان‌هاست. دانشمندان از فناوري در الكترونيك، نورپردازي و صفحات خورشيدي استفاده ميكنند. همه اين كاربردها محدود به دما هستند، وقتي دما خيلي بالا برود، اثر كمتري دارند. اگر اين ماده جديد بتواند در اين كاربردها مورد استفاده قرار گيرد، ماده مي‌تواند انرژي كه ساختمان هدر مي‌دهد كم كند.
PCM مي‌تواند به‌صورت جامد-جامد، جاد- مايع، جامد- گاز و مايع گاز تغيير فاز داشته باشند. با اين حال، تنها فازي كه براي PCM استفاده مي شود، جامد – مايع است. تغيير فاز مايع- گاز براي ذخيره‌سازي انرژي عملي نيست چون حجم‌هاي بزرگ يا فشارهاي بالا، نيازمند دخيره‌سازي مواد در زماني است كه فاز گازي دارند. گذار مايع- گاز دماي تبديل بالايي دارند. فاز جامد- جامد هم بسيار كُند است و ميزان بسيار كمي تبديل را ممكن مي‌كند.
از جامد- مايع، فاز حساس به گرماست (SHS-sensible heat storage). دماي آن‌ها با جذب گرما بالا مي‌رود. برخلاف SHS، PMC تا زماني كه بخواهد تغيير فاز بدهد، گرما مي‌گيرد ( تا رسيدن به دماي ذوب). مقدار گرمايي كه مي‌گيرد، ثابت است. متقابلاً ولي دما رو به افول مي‌گذارد، PCM شروع به جامد شدن مي‌كند و انرژي آزاد مي‌كند. مقدار زيادي از اين نوع ماده در حال حاضر هستند، كه گستره‌ي دمايي بزرگي بزرگي را بين 5- تا 190 درجه‌ي سانتيگراد پوشش مي‌دهند. گستره دمايي مورد نظر براي دماي بدن بين 20 تا 30 درجه است.
|
PCM اُرگانيك
پارافين (CnH2n+2) و اسيدهاي چرب (CH3(CH2)2nCOOH)
|
|
مزيت‌ها
1. يخ زدن بدون نياز به ابرسرمايش
2. توانايي ذوب
3. جمع شدن خود به خود
4. قابل تطابق با ماده‌ي مناسب
5. غير قابل تفكيك
6. از نظر شيميايي پايدار
7. دماي بالاي همجوشي
8. ايمن و بدون واكنش
9. قابل بازيافت
|
نكات منفي
1. دماي رسانش كم در حالت جامد؛ دماي گذار بالا نياز به چرخه‌ي يخ زدگي دارد.
2. گرماي پنهان كم.
3. قابل اشتعال. براحتي با كبريت آتش مي‌گيرد.
4. براي بدست آوردن نقاط تغيير فاز، بيشتر توليد كننده‌ها از پارافين استفاده ميكنند كه اساساً تركيباتي از پارافين بوده و بازتوليدي از روغن با قيمت بالاست.
|
|
غير اُرگانيك
هيدرات نمك (MnH2O)
|
|
مزيت‌ها
1. گرماي پنهان بالا
2. قابل دسترس و كم قيمت
3. نقطه ذوب كاملا مشخص
4. رسانش گرمايي بالا
5. همجوشي گرمايي بالا
6. غيرقابل استعال
|
نكات منفي
1. تغيير حجم بسيار بالا
2. ابرسرمايش مشكل اصلي گذار جامد- مايع است.
3. نياز به عامل جمع شدن دارد و كه بتواند آن را تكرارپذير كند.
|
|
خوش‌گذار‌ها (Eutectics)
تركيبات اُرگانيك- اُرگانيك، اُرگانيك- غيراُرگانيك، غيراُرگانيك- غيراُرگانيك
|
|
مزيت‌ها
1. نقاط ذوب كاملا معين شبيه مواد اصلي
2. چگالي ذخيره‌سازي حجمي، كمي بالاتر از تركيبات اُرگانيك است.
|
نكات منفي
1. داده‌هاي محدودي در مورد ويژگي‌هاي فيزيكي گرمايي همه‌ي اين مواد در دسترس است.
|
|
مواد هيجروسكوپي
Hygroscopics
|
بسياري از مواد طبيعي هيجروسكپي هستند كه> مي‌توانند آب را جذب كنند (آب چگاليده مي‌شود) و آزاد كنند (بخار آب). بنابراين اين فرايند بدين صورت است:
چگالش (گاز به مايع) 0>H∆: آنتالپي كاهش مي‌يابد (فرايند گرما‌زا) گرما آزاد مي‌شود.
بخار (مايع به گاز) H>0∆: آنتالپي افزايش مي‌يابد (فرايند گرما‌گير) گرما جذب مي‌شود (يا سرد مي‌شود).
در خلال اين فرايند، مقداري انرژي آزاد مي‌شود. سطوح بزرگ اجازه‌ي يك تا دو درجه سانتيگراد گرماگيري يا سرما‌زايي را در ساختمان‌ها مي‌دهند. مواد مذكور عايق پشمي، خاك رس و غيره هستند.