Faasimuutosmateriaalien käyttö energian varastoinnissa

Abstract

Työn tarkoituksena oli selvittää faasimuutosmateriaalien toiminnan pääperiaatteet, oleellisimpien faasimuutosmateriaalien ominaisuudet, faasimuutosmateriaaliteollisuuden nykytilaa ja suurimmat yritykset sekä tärkeimmät sovelluskohteet eri kirjallisuuslähteiden perusteella. Työn alussa on esitelty lämmön varastoinnin sekä lämmönsiirron perusperiaatteet. Näitä hyödyntämällä luodaan edellytykset faasimuutosmateriaalien oikeanlaiselle käytölle ja niiden toiminnan tehostamiselle. Faasimuutosmateriaalien ryhmistä tärkeimmät ovat parafiinit, suolahydraatit, rasvahapot ja erilaiset yhdistelmämateriaalit. Suurin osa materiaalien tuotannosta on keskittynyt parafiineihin ja suolahydraatteihin. Suolahydraatit edustavat parasta lämpöenergian varauskykyä, mutta niiden ongelmana ovat alijäähtyminen sekä epäkongruentti sulaminen. Yhdistelmämateriaaleilla on monesti etunaan muotopysyvyys faasimuutoksessa. Tämä saadaan aikaan sulkemalla varsinainen faasimuutosmateriaali yleensä polymeeristä koostuvan rakenteen sisään. Lisäksi on mahdollista käyttää yhdistelmissä hyväksi korkean lämmönjohtavuuden materiaaleja, jolloin komposiitin lämmönsiirtoa saadaan tehostettua. Faasimuutosmateriaalien kapselointi on tärkeä osa lämpöenergian varastointisovelluksia. Kapselointi estää sulan materiaalin poispääsyn, toimii suojaavana kerroksena, parantaa materiaalin käsiteltävyyttä sekä poistaa ulkoisen tilavuuden muutoksen. Kapselointi voidaan toteuttaa joko makro- tai mikrokapseloinnilla. Faasimuutosmateriaalin lämmönsiirto on yksi suurista parannuskohteista ja tästä aiheesta onkin tehty monia tutkimuksia. Tämä ongelma ei ole kovin merkittävä suolahydraateilla niiden kohtuullisen lämmönjohtavuuden takia, mutta orgaanisten materiaalien kuten parafiinien ja rasvahappojen huono lämmönjohtavuus heikentää lämmönvarastointijärjestelmien toimintaa. Lämmönsiirtoa voidaan parantaa varastosäiliöiden rivoituksella, lisäämällä materiaaliin teräsrenkaita tai muita korkean johtavuuden partikkeleita sekä hyödyntämällä useita eri faasimuutosmateriaaleja.. Faasimuutosmateriaaleihin keskittyneiden yritysten määrä on tällä hetkellä suhteellisen pieni, mutta markkinoilta odotetaan kasvua tulevina vuosina. Yritysten toiminta keskittyy materiaalien valmistukseen, lämpöenergian varastointijärjestelmien suunnitteluun ja toimittamiseen (rakennukset ja rakentaminen), kapseleiden valmistukseen ja kuljetustuotteiden valmistamiseen (lämpöherkkien materiaalien kuljetukset). Sovelluksista suurin mielenkiinnon kohde on tällä hetkellä huoneilman lämpötilan tasaaminen, joka voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai passiivisesti integroimalla faasimuutosmateriaali rakenteisiin. Muita sovelluskohteita ovat lämpöherkkien materiaalien kuljetukset ja varastointi, elektroniikan jäähdytys sekä tekstiilit.