Немецкие исследователи Fraunhofer достигли значительного прогресса в разработке твердотельных тепловых насосов, работающих без компрессоров. В рамках недавно завершенного исследовательского проекта ElKaWe команда из шести институтов Fraunhofer сосредоточилась на технологии электро-калорических тепловых насосов, уделяя особое внимание инновациям в материалах, конструкции системы и эффективности теплообмена. Проект завершился созданием трех демонстрационных систем, подтверждающих потенциал этой технологии.
Электро-калорические материалы: ключ к эффективности и долговечности
Электро-калорические материалы играют центральную роль в повышении эффективности и надежности таких тепловых насосов. Исследователи Fraunhofer IAP разработали тонкие полимерные пленки с высокой диэлектрической прочностью, создав многослойные компоненты, соответствующие новым международным стандартам. В то же время Fraunhofer IKTS разработал многослойные керамические компоненты на основе PMN-PT (ниобат магния-свинца/титанат свинца), которые продемонстрировали высокую стабильность: после 70 миллионов рабочих циклов их электро-калорический эффект не изменился. В проекте также изучались безсвинцовые материалы, такие как титанат-станнат-барий-стронций (BSSnT), соответствующий экологическим требованиям RoHS.
Быстрый теплообмен без вредных хладагентов
Одним из основных ограничений электро-калорических тепловых насосов остается эффективность теплоотдачи. Чтобы ускорить этот процесс, исследователи применили активные эластокалорические тепловые трубки (AEH), использующие в качестве рабочих жидкостей этанол и воду, что делает их более экологичными по сравнению с традиционными хладагентами. Fraunhofer IPM интегрировал запатентованную конструкцию AEH в электро-калорическую систему, что позволило значительно повысить скорость рабочих циклов – до десяти раз в секунду – и увеличить эффективность теплопередачи при минимальном расходе материалов. Кроме того, Fraunhofer FEP разработал супер-гидрофильные покрытия для повышения эффективности испарения, а Fraunhofer LBF создал метод встраивания электродов в эпоксидную смолу для предотвращения электрических пробоев.
Высокоэффективные электрические системы управления
Для повышения производительности электро-калорических тепловых насосов необходимы мощные электрические системы управления. В рамках проекта ElKaWe исследователи Fraunhofer IAF разработали многоуровневый DC/DC-преобразователь на основе GaN с КПД 99,74%, что значительно превосходит предыдущие показатели, находившиеся ниже 90%. Это достижение способствует увеличению общей энергоэффективности системы.
Демонстраторы подтверждают перспективность технологии
Исследовательская группа успешно интегрировала все разработанные компоненты в три демонстрационные системы, каждая из которых продемонстрировала ожидаемые уровни производительности. Согласно расчетам, эффективность электро-калорических тепловых насосов на базе существующих материалов уже сопоставима с традиционными компрессорными системами, а дальнейшие усовершенствования могут повысить коэффициент полезного действия.
«Проект ElKaWe дал мощный толчок развитию материалов, электронных компонентов и систем теплообмена. Хотя впереди еще много работы, эти достижения являются важным шагом к коммерческому внедрению», – отметил доктор Килиан Бартоломе из Fraunhofer IPM.
Член консультативного комитета проекта Кристиан Фогель подчеркнул значимость проведенной работы, заявив: «Междисциплинарная команда работала слаженно, решая ключевые вопросы. Огромный потенциал электро-калорической технологии был продемонстрирован».
С дальнейшими исследованиями и разработками электро-калорические тепловые насосы могут стать эффективной и экологически безопасной альтернативой традиционным системам отопления и охлаждения.
