Kompresörsüz yüksek verimli katı hal ısı pompaları – Fraunhofer araştırmacıları yakın zamanda tamamlanan ElKaWe araştırma projesinde bu vizyonu gerçekleştirmeye doğru uzun bir yol kat ettiler. Malzeme ve sistem tasarımında önemli ilerlemeler kaydettiler ve teknolojinin muazzam potansiyelini ortaya koyan ilk elektrokalorik göstericileri inşa ettiler.
Küresel soğutma ve iklimlendirme teknolojisine olan talep hızla artıyor. Günümüzün ısı pompaları kompresörlerle çalışıyor ve hem ısıtma hem de soğutma için kullanılıyor. Yenilenebilir elektrikle çalışan bu pompalar, enerji geçişinin önemli bir bileşenini oluşturuyor. Fraunhofer araştırmacıları, temelde yeni bir konseptle ısı pompası teknolojisinde devrim yaratmayı hedefliyor: Amaçları, zararlı soğutucu akışkanlar olmadan çalışan ve kompresör tabanlı sistemlerden potansiyel olarak daha verimli olan elektrokalorik malzemelere dayalı katı hal ısı pompaları geliştirmek . Yakın zamanda tamamlanan ElKaWe (Elektrokalorik Isı Pompaları) projesi kapsamında, altı Fraunhofer Enstitüsü elektrokalorik sistemlerin tüm temel alt teknolojilerini araştırdı. Fraunhofer IPM'den proje yöneticisi Dr. Kilian Bartholomé, "ElKaWe ile malzeme, elektronik ve ısı transferinde önemli ilerleme kaydettik. Yapılacak daha çok şey olsa da, bunlar pazara hazır olma yolunda çok önemli adımlardı" diyor.
Elektrokalorik olarak aktif malzeme, elektrokalorik ısı pompalarının verimliliği ve uzun ömürlülüğü açısından önemli bir rol oynamaktadır. Konsorsiyum çeşitli polimer ve seramik malzemeler geliştirdi ve test etti. Fraunhofer IAP'deki bir ekip, on katmana kadar bileşenler halinde ince, dielektrik dayanıklı elektrokalorik polimer filmleri gerçekleştirerek yeni uluslararası standartlar belirledi. Fraunhofer IKTS'de, dielektrik dayanım ve çalışma frekansı için yüksek gereksinimleri karşılayan PMN-PT (kurşun magnezyum niyobat/kurşun titanat) bazlı seramik çok katmanlı bileşenler geliştirildi. Başlangıçtaki uzun vadeli testlerde seramik bileşenlerin son derece kararlı olduğu kanıtlandı: 70 milyon çevrim boyunca elektrokalorik etki üzerinde hiçbir değişiklik meydana gelmedi. Bileşenlerin diğer malzemelerle ileri testleri halen devam etmektedir. Ayrıca kurşunsuz baryum stronsiyum kalay titanat (BSSnT), gelecekte mevcut RoHS (Tehlikeli Maddelerin Kısıtlanması) direktiflerine uygun olarak elektrokalorik bileşenlerin üretilebileceği umut verici bir seramik malzeme olduğu kanıtlanmıştır.
Zararlı soğutucular olmadan ısı boruları aracılığıyla hızlı ısı transferi
Elektrokalorik ısı pompalarının performansı açısından ısı dağılımının bir darboğaz olduğu şu ana kadar kanıtlanmıştır: Isı dağılımı ne kadar hızlı gerçekleşirse sistem o kadar verimli olur. Hızlı ısı transferi için araştırma ekibi, ısı transferinin gizli ısı yoluyla, yani kalorik malzeme üzerindeki bir akışkanın buharlaşması ve yoğunlaşması yoluyla gerçekleştiği aktif kalorik ısı borularına (AEH) güveniyor. Etanol ve su kullanıldı; bu da geleneksel ısı pompalarına göre önemli bir avantaj. Fraunhofer IPM tarafından patentli AEH konsepti, ElKaWe projesi kapsamında ilk kez bir elektrokalorik sistemde kullanıldı. Isı borusu tabanlı yaklaşım, daha önce yaygın olarak kullanılan sıvının aktif pompalanması yöntemine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek çevrim frekanslarının elde edilmesine olanak sağlıyor. Elektrokalorik malzemenin yüzeyinde buharlaşma ve yoğunlaşma saniyede on defaya kadar gerçekleşmelidir. Bu, çok az malzemeyle çok fazla ısının taşınabileceği anlamına geliyor ve gelecekte özellikle maliyet açısından uygun sistemlerin inşa edilmesi mümkün hale geliyor. Fraunhofer FEP, yüzeyden buharlaşmanın özellikle verimli olmasını sağlayan uzun vadeli kararlı süperhidrofilik katmanlar geliştirdi. Fraunhofer LBF, elektriksel arızaların önüne geçmek amacıyla elektrokalorik segmentlerin elektrotlarının epoksi reçinesine gömülmesini sağlayan bir işlem de geliştirdi.
Kalorifik ısı pompalarının yüksek performans katsayısına sahip olması için verimli kontrol elektroniği de büyük önem taşımaktadır. ElKaWe projesinde Fraunhofer IAF'deki araştırmacılar, elektrokalorik ısı pompalarında kullanılmak üzere özel bir devre topolojisi tasarladılar. GaN tabanlı çok seviyeli DC/DC dönüştürücü, yüzde 99,74'lük bir elektriksel verimliliğe ulaşarak, daha önce yüzde 90'ın altında olan şarj verimliliğinde yeni küresel standartlar belirliyor.
Araştırmacılar, üç farklı gösteri sistemi kullanarak tüm bileşenlerin birlikte çalıştığını ve beklenen sistem performansının sağlandığını gösterdiler. Simülasyonlar, elektrokalorik ısı pompalarının verimliliğinin, günümüz malzemelerini kullanan kompresör sistemlerinin verimliliğine yakın olduğunu göstermiştir. Çeşitli malzeme sınıflarının analizi, performans katsayısının daha da artırılması için büyük bir potansiyel olduğunu, dolayısıyla elektrokalorik sistemlerin verimliliğinin artmaya devam edeceğini göstermektedir. "Ekip, projede disiplinler arası mükemmel bir şekilde birlikte çalıştı ve önemli soruları çözdü. Elektrokaloriklerin muazzam potansiyeli burada etkileyici bir şekilde gösterildi," diyor projenin danışma kurulunda araştırma çalışmalarını yakından takip eden Christan Vogel.
Ayrıca oku
Yapay zeka ısı pompalarının büyük dezavantajlarına işaret ediyor | Dövüş
İsveç'te jeotermal ısı pompaları – başarılı bir model | Dövüş
