고체-고체 상변화 물질(PCM)은 열에너지 저장(TES) 분야에서 누액 방지, 캡슐화 요구사항 감소, 설계 유연성 등 여러 장점을 제공한다. 특히 펜타글리세린(PG) 및 펜타에리트리톨(PE)과 같은 유기 플라스틱 결정(OPC)은 높은 잠열과 조절 가능한 전이 온도를 갖지만, 결정상에서의 취약성, 제한된 가공성, 열 순환 중 거시적 변형 등의 문제로 실제 적용에 한계가 있었다.
본 연구는 섬유화되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더를 도입하는 재료 공학 전략을 제안한다. 전단 유도 PTFE 섬유화 및 정제(tableting) 공정을 통해 PG 및 PE 복합재를 제작했으며, OPC 매트릭스 내부에 상호 연결된 섬유 네트워크를 형성했다. 이 네트워크는 OPC의 고유한 고체-고체 열 저장 기능을 유지하면서 결정상에서 기계적 보강 및 연성 향상을 제공한다.
PTFE 강화 복합재는 반복적인 열 순환 조건에서 영구 변형 감소 및 팽창-수축 손상 완화와 함께 현저히 향상된 형상 안정성을 보였다. 상변화 온도와 잠열은 OPC 상에 의해 주로 결정되었으며, 과냉각 값은 해당 시스템에서 보고된 낮은 범위에 속했다. 추가적으로 열전도도 향상 및 흡습성 감소 효과도 확인되었다.
이 연구는 PTFE 섬유화를 통해 OPC의 핵심적인 재료 수준 병목 현상인 열 순환 중 거시적 형상 안정성 손실을 극복할 수 있음을 입증한다. 결과적으로 개발된 복합재는 보호 코팅 및 추가 보강을 포함한 미래 TES 통합 전략을 위한 기반 플랫폼을 제공한다.
상변화 물질(PCM)을 통합한 벽돌은 열용량을 향상시키는 것으로 알려져 있지만, 고온 환경에서 캡슐 형상이 미치는 영향은 충분히 연구되지 않았다. 본 연구는 스테인리스 스틸 폼으로 보강된 원통형 헵타데칸 PCM 캡슐이 통합된 열 스마트 벽돌(TSB)의 열 성능을 평가했다.
검증된 전산 유체 역학(CFD) 모델을 활용하여, 외부 최고 온도가 20~40°C로 변화하는 조건에서 간과되기 쉬운 중요한 매개변수인 캡슐 직경(2, 3, 4 cm)의 영향을 조사했다.
PCM-폼 캡슐은 기존 벽돌에 비해 실내 최고 온도를 최대 1.9°C 낮추고, 2~3시간의 열 지연을 유도하며, 열유속 진폭을 35~40% 감소시키는 것으로 나타났다. 특히, 외부 최고 온도가 40°C일 때 4cm 직경의 캡슐은 일일 전력 소비량을 130 kWh/day에서 90 kWh/day로 31% 절감했다.
결론적으로, 더 큰 PCM-폼 캡슐은 우수한 열 완충 효과를 제공하며, TSB가 고온 환경에서 에너지 효율과 열 쾌적성을 향상시키는 효과적인 수동형 솔루션임을 입증한다.
용융염 상변화 축열 시스템의 충전 속도는 상변화 물질의 낮은 열전도율로 인해 제한되는 문제가 있습니다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하고자 엔탈피-다공성 방법을 활용하여 중저온 용융염 쉘-앤-튜브 열교환기를 수치적으로 분석했습니다.
연구는 환형 핀, 핀 개수, 핀 두께, 그리고 다중 튜브 결합이 용융 거동 및 축열 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다. 이를 통해 열전달 효율을 극대화하고 축열 시스템의 성능을 향상시키는 최적의 설계 인자를 도출하고자 했습니다.
환형 핀 도입 시 완전 용융 시간이 1392초에서 1105초로 20.6% 단축되었으며, 후기 단계의 열저항도 감소했습니다. 핀 개수를 4개에서 9개로 늘리면 용융 시간이 추가로 148초 단축되었으나, 자연 대류 제한으로 인한 성능 향상 둔화가 관찰되었습니다. 최적의 핀 두께는 2mm로 나타났습니다.
다중 튜브 설계와 결합 시 용융 시간은 928초로 33.3%까지 단축되어, 분산형 튜브와 환형 핀의 통합이 축열 성능을 크게 향상시킴을 확인했습니다. 이러한 결과는 환형 핀과 다중 튜브 결합이 열전달을 효과적으로 증진시키고 온도장 균일성을 개선하며 용융염 축열 속도를 가속화함을 보여줍니다.
열에너지 저장(TES) 기술은 다양한 응용 분야에서 열 자원 관리의 유연성과 효율성을 제공하며 지속 가능한 에너지 시스템의 핵심 동력으로 부상하고 있습니다. 본 리뷰는 현열, 잠열, 열화학 저장 시스템을 포함한 TES 메커니즘, 재료 및 구조 설계의 최신 발전을 종합적으로 검토합니다.
나노 강화 상변화 물질(PCM), 하이브리드 TES 구성, 지능형 시스템 통합 등 최근 혁신 사례를 중점적으로 다룹니다. 또한 디지털 트윈 및 AI 기반 최적화와 같은 고급 전산 방법이 TES 성능 향상에 기여하는 역할도 탐구합니다.
재생에너지 시스템, 산업 공정, 지역난방 네트워크, 그린 수소 생산 등에서의 응용 사례와 관련 과제 및 향후 연구 방향을 논의합니다. 이 리뷰는 현재 지식을 통합하고 차세대 TES 기술 개발 및 실제 배포를 가속화하기 위한 방안을 제시하는 것을 목표로 합니다.
