Internal temperature measurements in Phase Change Material based thermal energy storage systems using Fiber Bragg Grating sensors

Abstract

Denne oppgaven har som mål å gjennomføre en detaljert kartlegging av temperaturfordelingen i et termisk energilagringssystem (TES) basert på faseendringsmateriale (PCM). Målet er å nøyaktig bestemme ladetilstanden (SoC) til PCM-baserte termiske batterier, og dermed forbedre kontroll- og overvåkningsmulighetene.

Overgangen til bærekraftige energiløsninger krever effektive energilagringsteknologier. PCM-baserte TES-løsninger, med sin evne til å lagre og frigjøre energi effektivt, er godt egnet til å møte utfordringene med varierende energibehov og fluktuerende fornybar energi. Disse systemene har et bredt spekter av bruksområder, blant annet passiv temperaturstabilisering og aktiv støtte for varmepumper i varme- eller kjølekretser i perioder med stort varme- eller kjølebehov.

Effektive kontroll- og overvåkningsmekanismer er avgjørende for å maksimere ytelsen og levetiden til PCM-baserte TES-systemer, og er et kritisk forsknings- og utviklingsområde innen dette feltet. På grunn av den konstante temperaturen forbundet med faseendringsprosessen, er presise måleteknikker avgjørende. Dette studiet benytter Fiber Bragg Grating (FBG)-sensorer for å gjennomføre distribuerte temperaturmålinger i et PCM-system, som er nedsenket i et temperaturkontrollert silikonbad for å indusere faseendring. Den resulterende temperaturkartleggingen gir et todimensjonalt rutenett av den horisontale temperaturfordelingen i systemet.

Temperaturmålingene avdekket en betydelig påvirkning av spenning på FBG-sensorene, hvor flere tiltak ble gjennomført for å minimere effekten. Hovedfunnet ligger imidlertid i den ikke-uniforme materialoppførselen til systemet, som muliggjør en bestemmelse av ladetilstanden. De posisjonsspesifikke egenskapene innad i systemet er avgjørende for å analysere PCM-oppførselen, og understreker behovet for nøyaktige SoC-estimeringsmetoder. Videre forskning er nødvendig for å forbedre disse metodene for presis overvåkning og kontroll av latente TES-systemer, spesielt ved å betrakte hele volumet av systemet ved SoC-estimering. Fremtidig arbeid bør også sette søkelys på ulike metoder for å redusere spenning på fibrene og tilpasse valget av FBG-fibre til typen og størrelsen av PCM-systemet.

This thesis aims to enable a fine mapping of the temperature distribution within a phase change material (PCM)-based thermal energy storage (TES) system. The objective is to accurately determine the state of charge (SoC) of PCM-based TES systems, thereby enhancing monitoring and control capabilities.

The transition to sustainable energy solutions requires efficient energy storage technologies. Phase change material (PCM)-based thermal energy storage (TES) solutions are well-suited to address the challenges of fluctuating energy demand and intermittent renewable energy sources due to their ability to store and release energy effectively. These systems have a wide range of applications, including passive temperature stabilization and active support for heat pumps in heating or cooling circuits during periods of high thermal energy demand.

Effective control and monitoring mechanisms are crucial for maximizing the performance and longevity of PCM-based TES systems, representing a critical aspect of research and development in this field. Due to the constant temperature associated with the phase change process, precise measurement techniques are necessary. This research employs Fiber Bragg Grating (FBG) sensors to conduct distributed temperature measurements within a PCM thermal battery, which is immersed in a temperature-controlled silicone bath to induce phase change. The resulting temperature mapping provides a 2D grid of the horizontal temperature distribution within the system.

The experimental research identified a significant strain effect on the FBG sensors, leading to measures being taken to minimize the impact. However, the key finding lies in the non-uniform material behavior throughout the system, which enables the determination of SoC. Position-specific characteristics in the system are crucial for analyzing PCM behavior, emphasizing the need for accurate SoC estimation methods. Further research is required to refine these methods for precise monitoring and control of latent TES systems, particularly by considering the entire volume of the PCM for SoC estimation. Future work should also focus on different methods for mitigating strain and customizing the selection of FBG arrays to the size and type of PCM system.