Высокоэффективные твердотельные тепловые насосы без компрессоров — исследователи Института Фраунгофера проделали большой путь к реализации этой идеи в недавно завершенном исследовательском проекте ElKaWe. Они добились решающего прогресса в разработке материалов и систем и построили первые электрокалорические демонстраторы, демонстрирующие огромный потенциал этой технологии.
Спрос на технологии охлаждения и кондиционирования воздуха стремительно растет во всем мире. Современные тепловые насосы работают на основе компрессоров и используются как для отопления, так и для охлаждения. Работающие на возобновляемой электроэнергии, они являются важным строительным блоком энергетического перехода. Исследователи Фраунгофера хотят произвести революцию в технологии тепловых насосов с помощью принципиально новой концепции: Их цель — твердотельные тепловые насосы на основе электрокалорийных материалов, не требующих вредных хладагентов и потенциально более эффективных, чем компрессорные системы. В рамках недавно завершенного проекта ElKaWe (Электрокалорические тепловые насосы) шесть институтов Фраунгофера провели исследования по всем важным подтехнологиям электрокалорических систем. «С ElKaWe мы достигли большого прогресса в области материалов, электроники и теплопередачи. Несмотря на то, что еще многое предстоит сделать, это были решающие шаги на пути к рынку», — говорит руководитель проекта доктор Килиан Бартоломе из Fraunhofer IPM.
Электрокалорически активный материал играет важную роль в эффективности и долговечности электрокалорических тепловых насосов. Консорциум разработал и испытал различные полимерные и керамические материалы. Группа ученых из Института прикладной физики им. Фраунгофера создала тонкие, диэлектрически устойчивые электрокалорические полимерные пленки в качестве компонентов, содержащих до десяти слоев, тем самым установив новые международные стандарты. В Fraunhofer IKTS разработаны керамические многослойные компоненты на основе PMN-PT (ниобат магния свинца/титанат свинца), отвечающие высоким требованиям по диэлектрической прочности и рабочей частоте. В ходе первоначальных долгосрочных испытаний керамические компоненты оказались чрезвычайно стабильными: никаких изменений электрокалорического эффекта не произошло на протяжении 70 миллионов циклов. Дальнейшие испытания компонентов из других материалов продолжаются. Кроме того, бессвинцовый титанат бария-стронция-олова (BSSnT) оказался перспективным керамическим материалом, из которого в будущем можно будет изготавливать электрокалорические компоненты в соответствии с действующими директивами RoHS (Ограничение содержания опасных веществ).
Быстрая передача тепла через тепловые трубки — без вредных хладагентов
До сих пор рассеивание тепла оказывалось узким местом в работе электрокалорических тепловых насосов: чем быстрее оно происходит, тем эффективнее система. Для быстрой передачи тепла исследовательская группа использует активные калорические тепловые трубы (АКТТ), в которых передача тепла происходит посредством скрытой теплоты: путем испарения и конденсации жидкости на калорическом материале. Использовались этанол и вода, что является решающим преимуществом по сравнению с традиционными тепловыми насосами. Концепция AEH, запатентованная Fraunhofer IPM, была впервые использована в электрокалорической системе в рамках проекта ElKaWe. Подход на основе тепловой трубки позволяет достичь значительно более высоких частот цикла, чем при ранее распространенной активной перекачке жидкости. Испарение и конденсация на поверхности электрокалорического материала должны происходить до десяти раз в секунду. Это означает, что большой объем тепла можно транспортировать с использованием небольшого количества материала, что позволит в будущем создавать особенно экономичные системы. В Институте Фраунгофера были разработаны долгосрочно стабильные супергидрофильные слои, которые обеспечивают особую эффективность испарения с поверхности. Во избежание электрических пробоев компания Fraunhofer LBF также разработала процесс заливки электродов электрокалорических сегментов в эпоксидную смолу.
Эффективная электроника управления также имеет решающее значение для высокого коэффициента полезного действия тепловых насосов. В проекте ElKaWe исследователи из Института физики им. Фраунгофера разработали топологию цепи специально для использования в электрокалорических тепловых насосах. Многоуровневый DC/DC-преобразователь на основе GaN достигает электрического КПД 99,74 процента, устанавливая новые мировые стандарты эффективности зарядки, которая ранее была ниже 90 процентов.
Используя три различные демонстрационные системы, исследователи продемонстрировали, что все компоненты работают слаженно и что ожидаемая производительность системы достигается. Моделирование показало, что эффективность электрокалорических тепловых насосов уже сопоставима с эффективностью компрессорных систем, использующих современные материалы. Анализ различных классов материалов показывает, что существует большой потенциал для дальнейшего повышения коэффициента полезного действия, поэтому эффективность электрокалорических систем, вероятно, будет продолжать расти. «Команда прекрасно работала вместе, работая над проектом, в разных дисциплинах, и решала важные вопросы. Здесь был впечатляюще продемонстрирован огромный потенциал электрокалории», — говорит Кристан Фогель, который внимательно следил за исследовательской работой в консультативном совете проекта.
Читайте также
ИИ указывает на серьезные недостатки тепловых насосов | Пугналом
Геотермальные тепловые насосы в Швеции – успешная модель | Пугналом
