طراحی جدید برای پمپ های حرارتی ترموالکتریک به خروجی بالاتر و ضریب عملکرد بهتر انجامید

به گزارش آرا نیرو دانشمندان در بریتانیا ترکیب پمپ های حرارتی ترموالکتریک مسکونی را با مخازن ذخیره گرما پیشنهاد کرده اند و دریافته اند که این راه حل، خروجی حرارت بالاتر، ضریب کارایی بالاتر و زمان گرمایش کوتاه‌تر را ارائه می دهد. آنها تاکید کردند که پمپ های حرارتی ترموالکتریک به راحتی با نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک DC قابل ترکیب هستند.

محققان دانشگاه دورهام در بریتانیا طرح جدیدی را برای پمپ‌های حرارتی ترموالکتریک (TeHPs) پیشنهاد کرده‌اند که دارای تمامی مزایایی است که فناوری پمپ حرارتی ارائه می‌دهد، به‌ویژه زمانی که در ساختمان‌های مسکونی، بهره‌برداری می‌شود.

 آنها توضیح دادند که TeHP ها می توانند به طور مستقیم توسط پنل های خورشیدی فتوولتائیک تغذیه شوند، در حالی که عملکرد بی صدا و قابلیت اطمینان بالا را به دلیل عدم وجود قطعات متحرک ارائه می‌دهند.  با این حال، آنها همچنین اذعان کردند که ضریب عملکرد آنها در حال حاضر کمتر از پمپ های تراکم حرارتی بخار معمولی است.

 نوآوری رویکرد پیشنهادی شامل ادغام TeHP با ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی فصلی (SSES) است که به گفته دانشمندان، عدم تطابق فصلی مربوط به توان حرارتی تولید شده، توسط هر دو سیستم فتوولتائیک و سیستم حرارتی خورشیدی (PVT) را جبران می‌کند.

 آنها توضیح دادند: “تا جایی که ما می دانیم، مطالعات کمی چنین راه حلی را در نظر گرفته اند.”  آنها با اشاره به امکان سنجی فنی-اقتصادی این سامانه و کمیت‌سازی، مزایایی که می تواند به همراه داشته باشد، گفتند: هدف گروه ما پر کردن این خلاء است و برای این کار باید دو موضوع مهم حل شود.

 به گزارش آرا نیرو در مقاله “مدل سازی و خصوصیات تجربی پمپ حرارتی ترموالکتریک آب به هوا با ذخیره انرژی حرارتی” که در مجله انرژی منتشر شده است، گروه تحقیقاتی بیان کرده که سیستم آزمایشی یک واحد TeHP با برق DC، یک مخزن ذخیره گرما و یک آزمایش را ادغام می کند، همراه با یک سیستم ثبت اطلاعات. واحد TeHP بر اساس یک ماژول ترموالکتریک (TeM)، یک هیت سینک با پره آلومینیومی در سمت گرم TeM و یک صفحه خنک کننده با آب در سمت سرد TeM است.

The experimental setting
Image: Durham University, energies, Creative Commons License CC BY 4.0

دانشگاهیان توضیح دادند: “ظرفیت گرمایش کل واحد TeHP را می توان با افزایش تعداد کل TeMها افزایش داد.” برای افزایش انتقال حرارت بین TeM و هیت سینک و همچنین انتقال حرارت بین TeM و صفحه خنک‌شده با آب، یک خمیر با رسانایی حرارتی بالا در دو طرف TeM قرار داده شد تا مقاومت‌های حرارتی تماس را کاهش دهد. ”

آنها همچنین یک فن با جریان متقاطع را در سمت هیت سینک قرار دادند تا تبادل حرارت بین جریان هوا و هیت سینک افزایش یابد. آنها با اشاره به اینکه از آب به عنوان سیال انتقال حرارت و ذخیره گرما استفاده می شود، افزودند: مخزن ذخیره حرارت ساخته شده از فولاد ضد زنگ دارای قطر داخلی 25 میلی متر، ارتفاع 250 میلی متر و ضخامت 2 میلی متر است. علاوه بر این، یک حلقه گردش آب پمپ شده، مخزن ذخیره گرما را به صفحه خنک‌شده با آب متصل می‌کند.

در یک سری شبیه‌سازی که از طریق ابزار شبیه‌سازی TRNSYS اجرا شد، تیم تحقیقاتی گرمای بالقوه تولید شده از سیستم‌های PVT یا کلکتورهای حرارتی خورشیدی و عملکرد خروجی واحد TeHP را در مقایسه با یک سیستم مرجع بدون ذخیره‌سازی گرما محاسبه کردند. این نشان داد که ادغام TeHP ها با مخازن ذخیره گرما سه مزیت اصلی دارد.

ابتدا، دانشگاهیان متوجه شدند که مخزن ذخیره سازی خروجی حرارت TeHP را در مقایسه با TeHP بدون مخزن 3 درجه سانتیگراد افزایش می دهد.  سپس، آنها دریافتند که COP TeHP با ذخیره گرما 1.97 و TeHP بدون مخزن 1.5 بود. علاوه بر این، شبیه سازی نشان داد که زمان مورد نیاز برای گرم کردن جعبه آزمایش به میزان 18 متر کاهش یافته است، که طبق گزارش ها دستیابی سریع به دمای مورد نظر را تضمین می کند.

 دانشمندان گفتند، اگرچه این نتایج امیدوارکننده است، اما امکان‌سنجی فنی-اقتصادی این سیستم هنوز نامشخص است. آنها با اشاره به دوره بازپرداخت فعلی سیستم تاکید کردند: “این به این دلیل است که اگرچه استفاده از ذخیره سازی حرارتی عملکرد خروجی TeHP را افزایش می دهد، اما برای تاسیسات ذخیره سازی گرما در مقایسه با TeHP مستقل هزینه‌های اضافی ایجاد می کند.” فلذا 8.5 سال تخمین زده می‌شود.

 با نگاه به آینده، گروه تحقیقاتی قصد دارد پیکربندی سیستم را بر روی یک ساختمان واقعی در بریتانیا آزمایش کند.

نویسنده: Emiliano Bellini