Знайдено новий спосіб вилучення енергії з низькотемпературних джерел тепла

Китайська дослідницька група розробила нову концепцію вилучення теплової енергії з низькотемпературних джерел відпрацьованого тепла та її повторного використання за потреби, просто контролюючи тиск. На виробництво тепла припадає понад 50% світового кінцевого споживання енергії, а аналіз потенціалу відпрацьованого тепла показує, що 72% світового споживання первинної енергії втрачається після перетворення, головним чином у формі тепла. Він також відповідає за понад 30% глобальних викидів парникових газів.

На цьому тлі дослідники під керівництвом професора ЛІ Бінга з Інституту дослідження металів Академії наук Китаю запропонували та реалізували нову концепцію — барокалорійні теплові батареї, засновані на унікальному зворотному барокалорійному ефекті.

Зворотний барокалорійний ефект характеризується ендотермічною реакцією, спричиненою тиском, що різко контрастує зі звичайним барокалорійним ефектом, коли підвищення тиску призводить до екзотермічної реакції. «Цикл барокалорійної теплової батареї складається з трьох етапів, включаючи теплове заряджання під тиском, зберігання під тиском і термічний розряд після зниження тиску», — сказав професор LI, відповідний автор дослідження.

Барокалорійна теплова батарея була матеріалізована в тіоціанаті амонію (NH₄ SCN). Розряд виявлявся у вигляді виділення тепла 43 Дж/^г або підвищення температури приблизно на 15 К. Виділена теплота в 11 разів перевищувала підведену механічну енергію.

Щоб зрозуміти фізичне походження унікального зворотного барокалорійного ефекту, робочий матеріал NH₄ SCN було добре схарактеризувати за допомогою методів синхротронного рентгенівського випромінювання та розсіювання нейтронів. Він зазнає кристалічного структурного фазового переходу від моноклінної до орторомбічної фази при 363 K, що супроводжується об’ємним негативним тепловим розширенням ~5% і змінами ентропії приблизно 128 Дж кг ^-1  K ^-1.

Цей перехід легко здійснюється тиском до 40 МПа, і це перша інверсна барокалорична система зі змінами ентропії більше ніж 100 Дж кг ^-1 К^—. Залежне від тиску розсіювання нейтронів і моделювання молекулярної динаміки показали, що поперечні коливання аніонів SCN¯ посилюються тиском, а водневі зв’язки, які утворюють дальній порядок, потім послаблюються.

У результаті система стає невпорядкованою у відповідь на зовнішній тиск, і таким чином матеріал поглинає тепло з навколишнього середовища. Бувши новим рішенням для управління теплом, барокалорійні теплові батареї, як очікується, відіграватимуть активну роль у різноманітних додатках, таких як збір і повторне використання тепла промислових відходів при низьких температурах, системи теплопередачі твердотілового холоду, розумні електромережі та управління теплом у житлових приміщеннях.