W ramach projektu przeprowadzono szereg prac optymalizacyjnych w zakresie poszczególnych elementów składowych pojedynczego ogniwa bioekoinnowacyjnego magazynu termalnego. Prace te skupiały się na dążeniu do zwiększenia intensywności procesu wymiany ciepła podczas przejścia fazowego wybranych substancji. W tym celu powstało specjalne stanowisko badawcze, którego widok zaprezentowano poniżej.
Sekcja do badania pojedynczych ogniw magazynu termalnego: od prawej przykłady badanych geometrii powierzchni wymiany ciepła podczas zmiany fazy PCM
Ostatecznie biorąc pod uwagę wyniki prac eksperymentalnych oraz analiz cfd opracowano konstrukcję magazynu zbliżoną do „plastra miodu. Geometria ta została jednak zmodyfikowana w sposób umożliwiający podniesienia wytrzymałości układu magazynu przy zachowaniu możliwie jak największego stopnia upakowania. Proponowane rozwiązanie pozwalają na bezpośrednią współpracę układu akumulatora ciepła z instalacją HVAC znajdującą się w pojeździe elektrycznym względnie hybrydowym jak i stabilizację termiczną ogniw elektrycznych tego pojazdu. Magazyn ten został opracowany w wersji modułowej pozwalającej na stosunkowo prosty montaż/demontaż jego elementów składowych oraz skalowalność pojemności cieplnej. Między innymi w tym celu opracowano własną konstrukcje połączeń wciskowych. Co warto podkreślić zdecydowana większość elementów funkcyjnych została wykonana w technologii druku 3D.
Przykład technologii druku 3D: od lewej widok na prototypy połączenia wciskowego
Istotny jest również fakt, iż zarówno substancja stanowiąca wypełnienie magazynu (substancja zmiennofazowa PCM) jak i większość elementów konstrukcyjnych magazynu termalnego należą do substancji biodegradowalnych. Prototypowy magazyn termalny będący efektem finalnym prac projektowych posiada pojemność cieplną na poziomie 1,44 kWh przy czym składa się on z 8 pojedynczych ogniw o pojemności około 0,18 kWh każda. Wyniki prac wskazują iż, poprzez wykorzystanie współpracy układu HVAC z zaproponowaną postacią magazynu termalnego jest możliwe podniesienie jego efektywności energetycznej aż o 18%. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem specjalnej konstrukcji instalacji demonstracyjnej. W skład tejże instalacji wchodzi między innymi układ rewersyjnej pompy ciepła (RPC) posiadający możliwość pracy zarówno w układzie powietrze-powietrze jak i woda-woda czy też woda-glikol. Instalacja ta współpracuje ze specjalnie zaprojektowaną i wykonaną komorą termalna mającą symulować warunki panujące w kabinę pojazdu. W komorze tej znajduje się parownik/skraplacz RPC jak i układ ogniw elektrycznych doposażony w specjalny system stabilizacji termalnej jak również układ pozwalający na symulację obciążenia cieplnego komory. Sam system ogniw elektrycznych posiada możliwość ładowania/rozładowania a poprzez umieszczenie go w komorze termalnej cykle te można realizować w zmiennych parametrach powietrza otaczającego ogniwa elektryczne symulując tym samym zmienność warunków atmosferycznych. Układ posiada także specjalny system stabilizatora termalnego współpracującego z RPC .
Instalacja demonstracyjna do badania współpracy magazynu termalnego z instalacją HVAC: 1-magazyn termalny, 2- rewersyjna pompa ciepła, 3 – komora termalna, 4 – baterie elektryczne wraz z systemem stabilizacji termalnej, 5- system ładowania baterii elektrycznych, 6 – system rozładowania baterii elektrycznych, 7 – system stabilizatora termalnego
Patenty i zgłoszenia patentowe
- R.Andrzejczyk, T.Muszyński, Układ stabilizacji termicznej ogniw elektrycznych zwłaszcza w pojazdach mechanicznych, UP RP Pat. 239698
- R.Andrzejczyk, Hybrydowy magazyn wieloźródłowy, zgłoszenie do ochrony P.437043, 18.02.2021,
- R.Andrzejczyk, T.Muszyński, Pasywny układ pozyskiwania wilgoci z powietrza, zgłoszenie wewnętrzne PG 43/21, 29.06.2021
- R.Andrzejczyk, T.Muszyński, Układ pozyskiwania wilgoci z powietrza wspomagany zasobnikiem z materiałem zmiennofazowym, zgłoszenie wewnętrzne PG 45/21, 29.06.2021
- R.Andrzejczyk, T.Muszyński, Pasywny układ wspomagania chłodzenia kabiny pasażerskiej pojazdu, zgłoszenie wewnętrzne PG 44/21, 29.06.2021