AP26100473 – Исследование эффективности каскадного хранения солнечной тепловой энергии в твердотельных накопителях тепла с использованием материалов с фазовым переходом для бытового применения в континентальных климатических условиях
Цель – Целью проекта является поиск эффективных режимов зарядки и разрядки твердотельного теплового аккумулятора с каскадным расположением веществ с изменяющейся фазой (ВИФ) на основе разрабатываемой численной модели расчета. Также целью является поиск эффективных режимов зарядки и разрядки резервуарного теплового аккумулятора с каскадным расположением ВИФ на основе разрабатываемой модели теплового баланса и разработанной ранее экспериментальной установки.
Актуальность: В условиях континентального климата Казахстана с резкими суточными и сезонными колебаниями температур возникает необходимость эффективного накопления и использования солнечной тепловой энергии. Существующие системы теплоснабжения характеризуются низкой эффективностью хранения тепла и высокими потерями энергии. Применение веществ с изменяющейся фазой (ВИФ) и каскадных систем аккумулирования позволяет существенно повысить энергоэффективность, обеспечить стабильное теплоснабжение и снизить зависимость от традиционных источников энергии. Поэтому разработка и оптимизация таких систем является актуальной научно-технической задачей.
Научный руководитель: Толеуханов Аманкелды Елешевич, PhD in mechanics, Ассоциированный профессор
Ожидаемые и достигнутые результаты:
В рамках проекта будут получены новые научные данные о каскадном хранении солнечной тепловой энергии с использованием ВИФ, адаптированных для континентальных климатических условий. Будут подобраны оптимальные материалы ВИФ и разработаны усовершенствованные геометрические конфигурации твердотельного и резервуарного тепловых аккумуляторов. Полученные результаты будут полезны как для научного сообщества, так и для инженеров, работающих с системами солнечного теплоснабжения. Разрабатываемый тепловой аккумулятор может применяться для суточного накопления солнечной тепловой энергии в системах солнечных тепловых насосов и водонагревателей, а также в промышленности для масштабного хранения горячей воды.
Проект будет начат с TRL 1, планируется достижение TRL 3 через расчеты, эксперименты и тестирование прототипов для подтверждения эффективности технологий.
Будут выполнены требования к ожидаемым результатам для отраслей в области естественных наук, по прикладным исследованиям согласно пункту 7 конкурсной документации.
В рамках предлагаемого проекта будет осуществляться подготовка не менее одного доктора философии (PhD) или доктора по профилю в соответствующей области исследования, связанной с темой проекта.
1.1 Выполнено моделирование тепловых характеристик различных конструкций резервуаров, использующих вещества с изменяющейся фазой (ВИФ). Основное внимание было уделено расчету тепловой эффективности, скорости теплопередачи и температурного распределения. 1.2 Исследованы влияния скорости потока теплоносителя, параметров входа и выхода, а также температурных профилей на эффективность тепловых систем. Установлены адекватные температурные профили и оптимальные скорости потока, которые позволили улучшить процессы теплообмена и снизить потери энергии, тем самым повысив общую эффективность систем. 1.3 Исследованы эффективные режимы зарядки и разрядки для резервуарного теплового аккумулятора на основе созданной ранее экспериментальной установки. 1.4 Исследованы различные ребристые и пористые структуры контейнеров, заполненных веществами с изменяющейся фазой для изучения эффективности повышения теплопередачи. Новизна работы в 2025 году заключается в получении новых данных о тепловых характеристиках резервуарных аккумуляторов с каскадным расположением веществ с изменяющейся фазой (ВИФ), в численном и экспериментальном исследовании влияния геометрии контейнеров, ребристых и пористых структур, а также параметров потока теплоносителя на эффективность процессов зарядки и разрядки. Впервые формируются оптимальные конструктивные решения и уточнённые модели тепломассопереноса, которые закладывают основу для создания усовершенствованного теплового аккумулятора в последующие годы.