Developing a new nano-enhanced phase change material (NEPCM) for medium grade thermal energy storage

Selon la demande croissante d'énergie et le besoin sociétal d'approches durables et respectueuses de l'environnement pour économiser de l'énergie, cette question se pose: comment pouvons-nous stocker plus d'énergie dans un espace plus petit avec moins d'équipements de support? Comment pouvons-nous coupler des systèmes énergétiques économes avec des ressources énergétiques conventionnelles et renouvelable, en particulier dans les zones reculées? Pour répondre à un tel besoin, des stockages d'énergie thermique ont été appliqués pour récupérer la chaleur perdue partout où elle est disponible et la convertir en énergie électrique utile ou pour être utilisée à des fins de chauffage. L'idée d'utiliser des matériaux à changement de phase (MCP) pour le stockage d'énergie provient de leurs propriétés exceptionnelles qui leur permettent d'économiser plus d'énergie sous forme de chaleur latente. Cela conduit à moins de matériel requis, à un espace de stockage plus petit et à moins d'équipements externes comme des pompes ou des ventilateurs. Cependant, les MCP ont un inconvénient, qui est leur faible conductivité thermique qui les empêche d'être largement utilisés dans les industries. Un tel inconvénient entraîne une charge et une décharge plus longues, ce qui est un problème où nous devons faire un équilibre entre l'offre et la demande d'énergie aux heures de pointe. Il existe plusieurs méthodes pour améliorer la conductivité thermique des MCP, notamment l'ajout de nanoparticules, mais la plupart d'entre elles entraînent une augmentation des coûts. Il existe également une lacune dans les connaissances existantes sur les MCP compatibles avec une de plage de températures élevées (plus de 100 °C). Par conséquent, dans ce projet, nous visons à améliorer de manière rentable les propriétés thermiques des MCP à haute température pour des stockages d'énergie thermique en utilisant des nanoparticules. En outre, étant donné que la faible conductivité thermique et la grande capacité énergétique des MCP posent des problèmes pour leur caractérisation, une étude axée sur la technique calorimétrique des MCP a été réalisée. Cette étude a été publiée dans le cadre d'un article de synthèse qui inclut à la fois la littérature et les expériences actuelles. Les propriétés des MCP, y compris les températures de transition et l'enthalpie pendant la fusion et la solidification, ainsi que la capacité calorifique pouvant être obtenue par calorimétrie différentielle à balayage, ont été couvertes dans cette étude. En outre, la représentation la plus pertinente d'un MCP, à savoir le graphique de l'enthalpie en fonction de la température, a été étudiée. Dans cette recherche, l'acide adipique a été choisi comme MCP organique et non dangereux. L'acide adipique peut stocker et libérer environ 250 J/g d'énergie thermique à 150 ℃. Une étude calorimétrique comparative de différentes puretés d'acide adipique (99% et 99,5%) et d'un équivalent chimique PT151® a été réalisée. L'acide adipique d'une pureté de 99% présente une meilleure performance thermique tout en étant disponible à un prix inférieur. Il a subi moins de 5% de perte d'enthalpie au cours de 150 cycles de fusion et de solidification. Outre les propriétés de stockage thermique des MCP, le transfert de chaleur à l'intérieur et à l'extérieur des MCP est d'une grande importance. La chaleur se propage dans le MCP par conduction jusqu'à ce que les premiers signes de fusion apparaissent. En poursuivant le processus de fusion, le mouvement convectif commence à se produire. Compte tenu de la dépendance de ces mouvements convectifs (convection naturelle) par rapport à la viscosité, la mesure rhéologique de l'acide adipique a été effectuée. Cette étude fournit une valeur précise de la viscosité à la fois dans la région liquide et dans la région de fusion. En outre, la comparaison des résultats rhéologiques et calorimétriques peut fournir un profil de changement de phase plus précis des MCP, ce qui est important pour leur application. Enfin, la faible conductivité thermique de l'acide adipique a été résolue par l'ajout de nanoparticules d'AlO(OH) et d'AlO(OH)@SiO2. Ces nanoparticules peuvent être synthétisées à l'aide d'une procédure non complexe, peu coûteuse et sûre. Les nanoparticules ont été dispersées à faible concentration (0,05, 0,1 et 0,2% en poids) dans de l'acide adipique fondu. La conductivité thermique de l'acide adipique pur a augmenté de ~20% et ~12% en présence d'AlO(OH) et d'AlO(OH)@SiO2. Selon l'analyse thermique calorimétrie différentielle à balayage et l'analyse thermogravimétrique (ATG), l'amélioration de la conductivité thermique a été obtenue sans diminution de l'enthalpie. En outre, la stabilité thermique de l'acide adipique a été améliorée par l'ajout de nanoparticules, et le degré de sous-refroidissement a diminué de 1.3 K.

Name thesis:degree_name

Ph. D.

Level thesis:degree_level

Doctorat

Discipline thesis:degree_discipline

Génie mécanique

Grantor dc:publisher

Université de Sherbrooke

Year dc:date.issued

2023

Author dc:creator

• Fatahi, Hazhir

Advisor dc:contributor.advisor

• Poncet, Sébastien

• Phase Change Material (PCM)
• Thermal conductivity
• Thermal energy storage
• Nanoparticle
• Matériau à Changement de Phase (MCP)
• Conductivité thermique
• Stockage d'énergie thermique
• Nanoparticule

Language dc:language.iso

en

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11143/20685

OAI identifier oai:identifier

oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/20685