Characterization of aluminium based phase change materials for thermal energy storage applications

Over the last decades considerable amount of research has been carried out on renewable energy sources. Many technologies have been identified as potential solutions to produce green energy on a large scale. So far wind and solar energy are the most used renewable sources because of their unlimited production capacity and their low cost with respect to other technologies. However, their intermittent nature is still a huge issue and it considerably limits their usage. Integration of renewables onto the electric grid is challenging and requires a reimagining of the grid management. Energy storage technologies have been identified as potential solutions to the intermittency of renewables. Temporary storage of electricity could be the key to allow a complete integration of renewables onto the electric grid. Thermal energy storage and especially latent heat storage systems using phase change materials (PCMs) have gained increased attention in recent years. These innovative materials absorb or release heat when phase transition from solid to liquid occurs and vice versa. This thesis is dedicated to the characterization of Al-Sn alloys as PCMs for thermal energy storage applications. The first part of this work summarizes the information extracted from literature regarding PCMs. It gives an overview of existing systems together with giving their advantages and drawbacks. The purpose of the second part of this work is to investigate, through experimental tests, the influence of process parameters on the properties of Al-Sn alloys as PCMs. Materials were prepared by powder metallurgy and characterized mechanically, thermally and microstructurally at the mechanical department of Politecnico di Milano. The microstructural and thermal stability of Al-Sn alloys was also investigated by performing repeated melting/freezing cycles. It was concluded that materials prepared by cold pressing exhibit the best properties. The purpose of the third and last part of this work is to optimize powder preparation for Al-Sn alloys. More complex powder preparations were used to prepare a new set of materials. It was found that a two-step process based on ball milling and subsequent simple mixing efficiently improves the properties of these materials.

Negli ultimi decenni sono state svolte considerevoli ricerche su fonti di energia rinnovabili. Molte tecnologie sono state identificate come soluzioni per produrre energia verde in larga scala. Finora l’energia solare ed eolica sono le fonti rinnovabili più utilizzati a causa della loro illimitata capacità produttiva e del loro basso costo rispetto ad altre tecnologie. Tuttavia, la loro natura intermittente è ancora un problema enorme che limita notevolmente il loro utilizzo. L’integrazione delle energie rinnovabili sulla rete elettrica richiede lo sviluppo della gestione della rete. Le tecnologie di stoccaggio dell’energia sono state identificate come soluzioni potenziali riguardo l’intermittenza dei fonti rinnovabili. Lo stoccaggio temporaneo dell'elettricità potrebbe essere la chiave per consentire una completa integrazione delle energie rinnovabili sulla rete elettrica. L’immagazzinamento di energia termica, e i sistemi di stoccaggio di calore latente utilizzando materiali a cambiamento di fase (PCMs) in particolare, hanno acquisito una maggiore attenzione negli ultimi anni. Questi materiali innovativi assorbono o sprigionano calore quando avviene la transizione di fase da solido a liquido e viceversa. Questa tesi è dedicata alla caratterizzazione di leghe Al-Sn come PCMs per applicazioni di stoccaggio di energia termica. La prima parte di questo lavoro sintetizza le informazioni estratte dalla letteratura per quanto riguarda PCMs. Fornisce una panoramica dei sistemi esistenti insieme a dare i loro vantaggi e svantaggi. Lo scopo della seconda parte di questo lavoro è quello di investigare, attraverso prove sperimentale, l'influenza dei parametri del processo di produzione sulle proprietà delle leghe Al-Sn come materiali a cambiamento di fase. I materiali sono stati preparati dalla metallurgia delle polveri e loro proprietà microstrutturale, termale e meccaniche sono state caratterizzate presso il dipartimento di meccanica del Politecnico di Milano. La stabilità microstrutturale e termica delle leghe Al-Sn è stata studiata eseguendo ripetuti cicli di fusione/solidificazione. Si è concluso che i materiali preparati da pressa a freddo esibiscono le migliori proprietà. Lo scopo della terza e ultima parte di questo lavoro è quello di ottimizzare la preparazione delle polveri per le leghe Al-Sn. Preparazioni più complesse delle polveri sono state usate per preparare una nuova serie di materiali. Si è trovato che un processo in due fasi basato sulla fresatura a sfere e sulla miscelazione successiva migliora significativamente le proprietà di questi materiali.