Geri Dön

Thermal energy storage with nanoparticle embedded phase change materials

Nanoparçacık gömülü faz değişim malzemesi ile termal enerji depolama

PDF İndir

  1. Tez No: 895214
  2. Yazar: RAMAZAN AYDIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 67

Özet

Günümüzde özellikle popülasyonun ve enerjiye ihtiyaç duyan teknolojinin artış göstermesiyle enerjiye olan ihtiyaç sürekli olarak artmaktadır. Buna karşılık olarak enerji arzının kısıtlı olması bir arz talep dengesizliği meydana getirmeye açık bir durumdur. Ayrıca doğal düzenin devamı için enerjiye olan ihtiyacın sürekli ve kesintisiz bir şekilde devamının sağlanması gerekir. Bunun için ise yenilenemez enerji ve nükleer enerjinin yanında yenilenebilir enerji kaynakları da özellikle son birkaç 10 yıl içerisinde en çok teknolojik aşama kaydeden enerji kaynağı olmuştur. Özellikle yenilenemez enerji kaynaklarının kısıtlı bir süresinin kaldığı düşünüldüğünde yenilenebilir enerji kaynaklarının da buna daha güçlü bir alternatif olarak düşünülmektedir. Bu kaynaklardan en çok öne çıkan ikisi rüzgar ve güneş enerjisidir. Güneş enerji kaynağı düşünüldüğünde gün içerisinde enerji elde edilebilirken gece bu kaynaktan faydalanılamamaktadır. Bu da enerjinin kesintili yapısı sebebiyle bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bu noktada ısıl enerjinin gün içerisinde depolanıp güneş enerjisinin elde edilemediği fakat ihtiyaç duyulan gece vakitlerinde kullanılması enerjinin kesintili doğasına bir çözüm yolu olarak ortaya çıkmıştır. Isıl enerji depolaması için ortaya çıkan teknolojilerden enerjinin gizli ısıl depolama yöntemi ön plana çıkan bir yöntemdir. Bu uygulamanın ana temeli ise faz değiştirici malzemenin hal değişimi sağlanarak fazla enerjinin bu malzeme üzerinde depolanması ile sağlanmaktadır. Bu yapılan çalışma da faz değiştirici malzeme üzerinden ısıl enerji depolanması üzerine dayanmaktadır. Bu çalışmada faz değiştiren malzeme üzerine nanoparçacık eklenmesinin ısıl iletkenlik katsayısı, duyulur ısı ve gizli ısı kapasite gibi termofiziksel özelliklerine olan katkısı irdelenmiştir. Gizli ısıl depolama teknolojisi kısıtlı hacimlerde ve düşük sıcaklık değişimlerinde yüksek depolama kapasitesi sağlaması sebebiyle önemli bir teknoloji olduğu açıkça görülmektedir. Diğer taraftan yapılan diğer çalışmalarda şarj ve deşarj süreleri de incelenmiştir. Ayrıca faz değiştirici malzemelerin kullanım ömrü ve performans stabilitesi üzerine de çalışmalar literatürede yer almaktadır. Literatür çalışmalarında yer alan en yaygın faz değiştirici malzemenin parafin olduğu görülmüştür. Diğer taraftan katkı olarak kullanılan nanoparçacıklar ise genel olarak CuO, TiO2, SiO2, Al2O3, Graphene, ZnO dur. Bu çalışmada da Rubitherm markasına ait RT-42, RT-55 ve RT-65 parafinleri tercih edilmiştir. Bu malzemeler 42, 55 ve 65°C hal değiştirme sıcaklıklarına sahiptir. Nanoparçacık olarak ise TiO2, grafen, Al2O3, CuO, SiO2 and karbon siyahı (CB) seçilmiştir. Termofiziksel özellikleri literatürden nanoparçacık ve parafin faz değiştiren malzemeler için teorik olarak alınmıştır. Çok geniş bir ısıl iletkenlik katsayısı aralığı olan grafen için teorik hesaplamalarda maksimum bir değer alınmış fakat bu katsayıya sahip bir grafeni deneysel çalışmalar için elde etmenin çok zor olduğu da ayrıca vurgulanmıştır. Bu nanoparçacık katkılı faz değiştiren malzemeler için % 0.1 ve % 1 konsantrasyon aralığında hesaplamaları yapılmıştır. Diğer taraftan Nanoparçacık katkısız faz değiştiren malzeme için de bu karşılaştırmalar yapılmıştır. Güneş enerji sistemi oluk tipi güneş kollektörü için tasarlanmış, ısı transfer akışkanı olarak su seçilmiştir. Isıl depolamanın faz değiştirici malzeme tankında kullanımı düşünülmüştür. Burda yapılan hesaplamalar teorik olarak kaldığı için ısı transfer akışkanı ile nanoparçacık katkılı faz değiştiren malzeme arasındaki ısı geçişini her noktada aynı olduğu kabul edilerek yapılmıştır. Deneysel çalışmada bu durumun farklılık gösterebileceği ise ayrıca vurgulanmıştır. Tüm parametreler dahil edilerek hiperparametre optimizasyonuna göre 198 data toplanmış, toplamda her bir parametre için hesaplandığı düşünüldüğünde 3168 adet dataya ulaşılmıştır. Bu datalardan çıkan sonuçlara göre bazı sonuçlara varılmıştır. Faz değiştiren malzemenin düşük ısıl iletime sahip olurken nanoparçacıkların yüksek ısıl iletime sahip olması nanoparçacık katkılarının faz değiştiren malzemenin ısıl iletkenliğini artırdığı görülmüştür. En yüksek artışı sağlayan nanoparçacık ise %1lik konsantrasyona sahip grafendir. %1 oranındaki grafen katkılı faz değiştirici malzeme saf parafine göre %3.03lük bir artış sağlamıştır. Isı kapasitesindeki iyileştirme çalışmasında ise faz değiştiren malzemeler içerisinde RT-65 en yüksek ısı kapasitesine sahiptir. %1 konsantrasyona sahip CuO nun RT-65 ile olan kombinasyonunda ısı kapasitesinin %6.26 artış sağladığı görülmüştür. Gizli ısı kapasiteleri karşılaştırmasında ise saf RT-55 en yüksek gizli ısı kapasitesine sahiptir. Nanoparçacık katkısı ise gizli ısı kapasitesinde düşüşe sebep olduğu görülmüştür. Nanoparçacık katkısının faz değiştirici malzeme içerisinde yer alarak toplam eriyebilecek malzeme miktarında azalmaya sebep olacağı için beklenen sonuçlar elde edilmiştir. Burda dikkate alınan en önemli husus ise gizli ısı kapasitesindeki azalmayı en az oranda sağlayan Nanoparçacığın dikkate alınmasıdır. En düşük azalmayı sağlayan nanoparçacığın SiO2 olduğu ortaya konmuştur. RT-65 ile 1% oranında karıştırılan SiO2 %2.62 düşüşe sebep olmuştur. Şarj ve deşarj sürelerininde ise gece boyunca güneş enerjisinin kullanılamadığı deşarj süresi incelenmiştir. Bu karşılaştırmada deşarj süresinin en uzun süre sağlandığı kombinasyon bu sistemin oluşturulmasında en önemli parametre olmuştur. Sonuçlarda ise CuO nun %1lik oranda karıştırılmasıyla en uzun süreli deşarj süresine ulaşılmıştır. %1 konsantrasyona sahip CuO saf parafin waxa göre %2.28 daha uzun bir deşarj süresine sahiptir. Bir başka parametre ise toplam ısı depolamadır. Bu parametrede gizli ve duyulur ısının toplamı olarak hesap edilir. 3 farklı faz değiştiren malzemenin 6 farklı nanoparçacıkla olan tüm kombinasyonları %0 ila %1 lik konsantrasyon aralığında hesaplanmış ve RT-55 faz değiştiren malzemesi içerisinde %1lik konsantrasyona sahip olan CuO en yüksek toplam ısı depolama sağlamıştır. Bu artış saf RT-55 faz değiştirici malzemeye oranla %1.36 olarak hesaplanmıştır. Son incelenen parametre olan aynı ısı depolamayı sağlanması için gereken nanoparçacık katkılı faz değiştiren malzeme tank hacimlerinin karşılaştırılmasıdır. Bu parametre aslında toplam ısı depolamaya göre ters orantılıdır. En yüksek toplam ısı depolamayı sağlayan RT-55 faz değiştiren malzemesine katkılanmış %1 konsantrasyondaki CuO aynı enerji miktarını depolamak için gereken hacim parametresinde en az hacme gerek duyan nanoparçacık katkılı faz değiştiren malzeme kombinasyonudur. Diğer taraftan %1 konsantrasyona sahip CuO nanoparçacık katkılı RT-42 faz değiştiren malzemesi katkısız olan duruma göre toplam hacim ihtiyacında %2.5luk düşüş sağladığı görülmüştür. Sonuç olarak olarak görülmüştür ki ısıl iletkenlik katsayısında ve ısı depolama kapasitesinde en yüksek artışı sağlayan CuO öne çıkan nanoparçacık olmuştur. Ayrıca diğer taraftan en uzun süreli deşarj süresini sağlayan nanoparçacık yine CuO olmuştur. Bunlara ek olarak aynı toplam ısı depolamasını sağlamak için gereken minimum depolama tankı kapasitesini sağlayan da CuO olmuştur. Tüm bu parametreler, toplanan toplam 3168 data dikkate alındığında %1 lik konsantrasyonundaki CuO nanoparçacığın diğer 5 nanoparçacığa göre en çok ön plana çıkan faz değiştiren malzeme olduğu görülmüştür. Gelecek çalışmalar için bu teorik çalışma fikir vermiş, deneysel doğrulama çalışmalarına ihtiyaç duyulduğu da ortaya konmuştur.

Özet (Çeviri)

Due to the discontinuous nature of renewable energy sources, energy storage technologies play a key role in renewable energy systems. Phase change materials are one of the most common energy storage technologies thanks to its latent heat storage capacity. Moreover, there are some studies to improve its thermophysical properties and its storage capacity by using nanoparticles. Different types of nanoparticles with different concentrations are investigated in the literature. From the studies in the literature, it is seen that while some thermophysical properties of nanoparticle additives have positive effects on PCM, some of them affect PCMs negatively. This situation makes an optimization study is necessary. In this study, enhancement of thermophysical properties of PCMs are examined. Improvement of thermal conductivity, sensible and latent heat storage capacities with nanoparticle embedded PCM are compared. 3 different types of paraffin wax (RT 42, RT 55, and RT65) from the same company as PCM and 6 different types of nanoparticles (TiO2, graphene, Al2O3, CuO, SiO2 and carbon black) are chosen for the comparison. The first comparison parameter is thermal conductivity for the nano-PCM because it affects storage time. Effective thermal conductivity of the nano-PCMs is calculated by using Maxwell equation within the mass concentration range of 0 – 1 %. By using Hamilton Crosser equation, the results are checked, and it is seen that both equations gives the same results. Graphene nanoparticle with concentration of 1% with RT42 paraffin wax has the highest thermal conductivity. The second parameter for the comparison is heat storage capacity, and according to calculations CuO nanoparticle with 1% concentration with RT65 paraffin wax has the highest heat capacity. The other parameter for the comparison is the latent heat capacity which directly proportional to energy released during the phase changing. Pure RT55 has the highest latent heat capacity. On the other hand, nanoparticle additives reduce the latent heat capacity of the phase change materials. SiO2 with the concentration of 0.1% provides the minimum decrease in latent heat, the maximum fall is CuO with the concentration of 1%. The another parameter to compare is discharge time. Discharge time is the elapsed time during the solidification of nano-PCM. CuO with the concentration of 1% provides the longer discharge time which enlarge the time more comparing to pure PCM. Total heat storage is another parameter for the comparison. Combination of the 1% concentration of CuO and RT-55 PCM provides the highest total heat storage. Decrease in volume of nano-PCM to obtain the same heat transfer for all nanoparticle embedded phase change material is another parameter. It is seen that the minimum volume need is combination of 1% concentration of CuO and RT-55 PCM . When all the parameters were considered, CuO nanoparticle embedded PCM showed the best performance with RT-65 paraffin wax.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    436364

    Grafen nanoparçacık ile katkılanmış faz değişken enerji depolama modülündeki geçici ısıl yanıtlarının deneysel olarak incelenmesi

    Thermal response of graphene nanoparticle embedded phase change materials in energy storage modules

    KUTLU SÖMEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Mühendislik BilimleriCumhuriyet Üniversitesi

    Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KERİM YAPICI

  2. Tez No

    489528

    Development of rare-earth free permanent magnets

    Nadir toprak elementi içermeyen mıknatıs geliştirilmesi

    AYŞE MERVE GENÇ ÜNALAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY

    PROF. DR. MAHMUT VEDAT AKDENİZ

  3. Tez No

    643474

    Development of metal & metal oxides decorated graphene-based electrode materials for next generation Li-ion and Li-O2 batteries

    Yeni nesil Li-iyon ve Li-O2 pilleri için metal ve metal oksit dekore edilmiş grafen esaslı elektrot malzemelerinin geliştirilmesi

    ADNAN TAŞDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilim ve TeknolojiSabancı Üniversitesi

    PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALP YÜRÜM

  4. Tez No

    479229

    Grafen nano parçacıklarla katkılanmış farklı erime sıcaklıklarına sahip faz değişken malzeme kompozitlerin termal özelliklerinin belirlenmesi

    Determination thermal properties of grafen based nanomaterials doped phase changeable materials which have different melting temperatures

    EYUP ERDİŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    EnerjiCumhuriyet Üniversitesi

    Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜMİT NAZLI TEMEL

  5. Tez No

    334621

    Nano boyutlu parçacık katkılı yeni nesil faz değiştiren maddelerin deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of nanoparticle additives novel phase change materials

    ALİ TAŞKIRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    EnerjiFırat Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN FEHMİ ÖZTOP

Geri Dön