थर्मल बैटरी

यह लेख ऊष्मा ऊर्जा के भंडारण के बारे में है। उच्च तापमान वाली विद्युत बैटरियों के लिए, गलित लवण बैटरी देखें। अन्य उपयोगों के लिए, तापीय बैटरी (बहुविकल्पी) देखें।

तापीय ऊर्जा बैटरी एक भौतिक संरचना है जिसका उपयोग ताप संचयन और विमोचन के उद्देश्य से किया जाता है—तापीय ऊर्जा भंडारण भी देखें। ऐसी तापीय बैटरी (उर्फ टीबीएटी) एक समय में उपलब्ध ऊर्जा को अस्थायी रूप से संग्रहीत करने और फिर दूसरे समय में जारी करने की स्वीकृति देती है। तापीय बैटरी में सम्मिलित आधारभूत सिद्धांत पदार्थ के परमाणु स्तर पर होते हैं, जिसमें ऊर्जा को ठोस द्रव्यमान या तरल मात्रा में जोड़ा या लिया जाता है जिससे पदार्थ का तापमान परिवर्तित हो जाता है। कुछ तापीय बैटरियों में एक पदार्थ को  प्रावस्था संक्रमण के माध्यम से ऊष्मीय रूप से संक्रमण करने के लिए भी सम्मिलित किया जाता है जिससे संलयन की डेल्टा तापीय धारिता या वाष्पीकरण की डेल्टा तापीय धारिता के कारण और भी अधिक ऊर्जा संग्रहीत और जारी की जाती है।

तापीय बैटरी का इतिहास
तापीय बैटरी बहुत आम हैं और इसमें गर्म पानी की बोतल जैसी परिचित वस्तुएं सम्मिलित हैं। तापीय बैटरियों के शुरुआती उदाहरणों में पत्थर और मिट्टी के चूल्हे, आग में रखी चट्टानें और भट्टियां सम्मिलित हैं। जबकि स्टोव और भट्ठे ओवन हैं, वे तापीय स्टोरेज सिस्टम भी हैं जो समय की विस्तारित अवधि के लिए ऊष्मा को बनाए रखने पर निर्भर करते हैं।

तापीय बैटरी के प्रकार
तापीय बैटरी सामान्य रूप से विभिन्न रूपों और अनुप्रयोगों के साथ 4 श्रेणियों में आती हैं, हालांकि मौलिक रूप से सभी तापीय ऊर्जा के भंडारण और पुनर्प्राप्ति के लिए हैं। वे ताप भंडारण की विधि और घनत्व में भी भिन्न होते हैं।

चरण परिवर्तन तापीय बैटरी
तापीय भंडारण के लिए उपयोग की जाने वाली चरण परिवर्तन पदार्थ उस तापमान पर महत्वपूर्ण ऊष्मा धारिता को संग्रहीत करने और जारी करने में सक्षम होती है जिससे वे चरण परिवर्तित होते हैं। इन पदार्थो को विशिष्ट अनुप्रयोगों के आधार पर चयन किया जाता है क्योंकि तापमान की विस्तृत श्रृंखला होती है जो विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोगी हो सकती है और पदार्थ की विस्तृत श्रृंखला होती है जो विभिन्न तापमानों पर प्रावस्था बदलती है। इन पदार्थो में लवण और मोम सम्मिलित हैं जो विशेष रूप से उनके द्वारा प्रदान किए जाने वाले अनुप्रयोगों के लिए अभियांत्रिक हैं। निर्मित पदार्थ के अतिरिक्त, पानी प्रावस्था परिवर्तन पदार्थ है। जल की गुप्त ऊष्मा 334 जूल/ग्राम होती है। पानी का चरण परिवर्तन 0 °C (32 °F) पर होता है।

कुछ अनुप्रयोग शीत संग्रहण के रूप में पानी या बर्फ की ऊष्मा धारिता का उपयोग करते हैं; अन्य इसे ऊष्मा भंडारण के रूप में उपयोग करते हैं। यह किसी भी अनुप्रयोग का अनुसरण कर सकता है; ऊष्मा को संग्रह करने के लिए बर्फ को पिघलाया जा सकता है, फिर एक ऐसे वातावरण को गर्म करने के लिए पुनः जमाया जा सकता है जो हिमांक से नीचे हो (ऐसे वातावरण में 0 डिग्री सेल्सियस पर तरल पानी डालने से वातावरण उसी तापमान पर बर्फ के समान द्रव्यमान से कहीं अधिक गर्म हो जाता है, क्योंकि बर्फ की गुप्त ऊष्मा हिमांक को इसमें से निकाला जाता है, यही कारण है कि प्रावस्था परिवर्तन उपयुक्त है), या पानी को शीतित करने के लिए पानी को जमाया जा सकता है और ठंड से ऊपर के वातावरण को ठंडा करने के लिए (और पुनः, 0 डिग्री सेल्सियस पर बर्फ का एक द्रव्यमान उसी तापमान पर पानी के समान द्रव्यमान की तुलना में अधिक शीतलन प्रदान करेगा) पिघलाया जा सकता है।

इस तरह एक प्रावस्था परिवर्तन का उपयोग करने का लाभ यह है कि पदार्थ का एक दिया गया द्रव्यमान बिना तापमान परिवर्तन के बड़ी मात्रा में ऊर्जा को अवशोषित कर सकता है। इसलिए एक चरण परिवर्तन का उपयोग करने वाली एक तापीय बैटरी को सामान्य बनाया जा सकता है, या आंतरिक तापमान को अस्वीकार्य रूप से बढ़ाए बिना अधिक ऊर्जा डाली जा सकती है।

संपुटित तापीय बैटरी
संपुटित तापीय बैटरी भौतिक रूप से एक चरण परिवर्तन तापीय बैटरी के समान होती है, जिसमें यह भौतिक पदार्थ की एक सीमित मात्रा होती है जो ऊर्जा को संग्रहीत करने या निकालने के लिए ऊष्मीय रूप से गर्म या शीतित होती है। हालांकि, एक गैर-चरण परिवर्तन में संपुटित तापीय बैटरी मे, चरण परिवर्तन को प्रेरित किए बिना पदार्थ का तापमान परिवर्तित कर दिया जाता है। चूंकि चरण परिवर्तन की आवश्यकता नहीं है, इसलिए एक अतिक्रमित तापीय बैटरी में उपयोग के लिए कई अधिक पदार्थ उपलब्ध हैं।

संपुटित तापीय बैटरी के प्रमुख गुणों में से एक इसकी आयतनिक ऊष्मा धारिता (वीएचसी) है, जिसे आयतन-विशिष्‍ट ऊष्मा धारिता भी कहा जाता है। इन तापीय बैटरियों के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट पदार्थों में पानी, कंक्रीट और नम रेत सम्मिलित हैं।

संपुटित तापीय बैटरी का एक उदाहरण एक भंडारण टैंक के साथ एक आवासीय जल तापक है। इस तापीय बैटरी को सामान्य रूप से आवश्यकता पड़ने पर तेजी से उपयोग के लिए लगभग 30-60 मिनट की अवधि में धीरे-धीरे आवेशित (जैसे, 10-15 मिनट) किया जाता है । जल तापक की तापीय बैटरी प्रकृति को समझते हुए, कई उपयोगिताओं ने घर के स्वामी द्वारा बाद में उपयोग के लिए उपलब्ध होने पर अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा शक्ति को अवशोषित करने के लिए उनका उपयोग करना प्रारंभ कर दिया है। उपर्युक्त लेख के अनुसार, बिजली प्रणाली के लिए कुल उपभोग $200 प्रति वर्ष प्रति ऊष्मक हो सकती है - जिनमें से कुछ इसके स्वामी को दी जा सकती है।

फ़िनलैंड में ऊष्मा भंडारण माध्यम के रूप में रेत का उपयोग करने पर शोध किया गया है, जहां अक्षय सौर और पवन ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में संग्रहीत करने के लिए एक मूल रेत बैटरी बनाई गई है, जिसे बाद में जिला तापक के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और बाद में बिजली उत्पादन संभव हो सकता है।

भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरी
भू-तल ऊष्मा विनिमयक (जीएचईएक्स) पृथ्वी का एक क्षेत्र है जिसका उपयोग समयानुकूल/वार्षिक चक्र तापीय बैटरी के रूप में किया जाता है। ये तापीय बैटरी पृथ्वी के क्षेत्र हैं जिनमें तापीय ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए पाइप लगाए गए हैं; वे इस अर्थ में असंपुटित हैं कि लक्षित क्षेत्र आसपास की शेष पृथ्वी से पृथक नहीं है। पाइपों के माध्यम से एक उच्च तापमान तरल पदार्थ सक्रिय करके और इस प्रकार स्थानीय पृथ्वी के तापमान को बढ़ाकर भू-तल ऊष्मा विनिमयक में ऊर्जा जोड़ी जाती है। उन्हीं पाइपों के माध्यम से कम तापमान वाले द्रव को संचरित करके भू-तल ऊष्मा विनिमयक से ऊर्जा भी ली जा सकती है।

भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरी सामान्य रूप से दो रूपों में प्रयुक्त की जाती हैं। ऊपर दी गई तस्वीर क्षैतिज भू-तल ऊष्मा विनिमयक के रूप में जानी जाती है जहां खनित्र उपकरण का उपयोग तल में संवृत पाश में पाइप की मात्रा रखने के लिए किया जाता है। वे तल में वेध छिद्र को लंबवत या क्षैतिज रूप से प्रवेधन करके भी बनते हैं, और फिर लूप के दूर सिरे पर u- आकार का मोड़ नियोज्य के साथ संवृत पाश के रूप में पाइप डाले जाते हैं। इन प्रवेधित किए गए भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरी को कभी-कभी वेध छिद्र तापीय ऊर्जा संग्रहण प्रणाली भी कहा जाता है।

भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरी में किसी भी समय ऊष्मा ऊर्जा को जोड़ा या हटाया जा सकता है। हालांकि, वे प्रायः एक वार्षिक चक्र पर चलने वाले मौसमी तापीय ऊर्जा भंडारण के रूप में उपयोग किए जाते हैं जहां ऊष्मा के मौसम में भवन को ठंडा करने के लिए भवन से ऊर्जा निकाली जाती है और भू-तल ऊष्मा विनिमयक में जोड़ा जाता है। फिर उसी ऊर्जा को बाद में भवन को गर्म करने के लिए सर्दियों के मौसम में भू-तल ऊष्मा विनिमयक से निकाला जाता है। ऊर्जा के जोड़ और घटाव का यह वार्षिक चक्र पूरी की गई भवन के ऊर्जा मॉडलिंग के आधार पर अत्यधिक अनुमानित है। इस मोड में उपयोग की जाने वाली तापीय बैटरी एक नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है क्योंकि सर्दियों में निकाली गई ऊर्जा को अगली गर्मियों में भू-तल ऊष्मा विनिमयक में लगातार दोहराए जाने वाले चक्र में बहाल किया जाएगा। यह प्रकार सौर ऊर्जा संचालित है क्योंकि यह गर्मियों में सूर्य से निकलने वाली ऊष्मा है जिसे एक भवन से हटा दिया जाता है और अगले सर्दियों के मौसम में गर्म करने के लिए तल में संग्रहीत कर दिया जाता है। तापीय प्रतिक्रिया परीक्षण की दो मुख्य विधियाँ हैं जिनका उपयोग भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरियों की तापीय चालकता और ऊष्मा धारिता/विसरण की विशेषता के लिए किया जाता है - लॉग समय 1-आयामी वक्र निर्धारित करने और हाल ही में जारी उन्नत तापीय प्रतिक्रिया परीक्षण है।

तापक, प्रशीतित्र और वातानुकूलक अभियांत्रिक की अमेरिकन संस्था निर्माण अध्ययन में भू-तल ऊष्मा विनिमयक तापीय बैटरी की वार्षिक चक्र प्रकृति का एक अच्छा उदाहरण देखा जा सकता है। जैसा कि 'भू-तल लूप और परिवेशी वायु तापमान तिथि के अनुसार' सुचित्रित (चित्र 2-7) में देखा गया है, कोई भी आसानी से तल के तापमान के वार्षिक चक्र ज्यावक्रीय आकार को देख सकता है क्योंकि ऊष्मा को सर्दियों में तल से मौसमी रूप से निकाला जाता है और इसे अस्वीकृत कर दिया जाता है। एक मौसम में एक भू-तल तापीय आवेशित बनाना जो अपरिवर्तित नहीं है और दूसरी दिशा को बाद के मौसम तक उदासीन अस्थिरता से संचालित करता है। अभिप्रायपूर्वक कूप वेध तापीय पैटर्न का उपयोग करने वाली तल-आधारित तापीय बैटरियों के अन्य अधिक उन्नत उदाहरण वर्तमान में अनुसंधान और प्रारंभिक उपयोग में हैं।

अन्य तापीय बैटरी
रक्षा उद्योग में प्राथमिक बैटरी गलित लवण बैटरियों को  तापीय बैटरी  कहा जाता है। वे विद्युत-अपघट्य के रूप में आयनिक धातु के लवण (सोडियम, पोटेशियम और लिथियम क्लोराइड, ब्रोमाइड्स, आदि) के कम पिघलने वाले गलन क्रांतिक मिश्रण का उपयोग करके गैर- पुनःआवेशनीय विद्युत बैटरी हैं, जो ठोस रूप में लवण के साथ निर्मित होते हैं। जब तक लवण ठोस रहता है, तब तक बैटरी की जीवनावधि 50 वर्ष तक होती है। एक बार सक्रिय (सामान्य रूप से एक आतिशबाज़ी ताप स्रोत द्वारा) और विद्युत-अपघट्य पिघल जाता है, यह उच्च ऊर्जा और शक्ति घनत्व के साथ बहुत विश्वसनीय है। वे बड़े पैमाने पर सैन्य अनुप्रयोगों जैसे छोटे से बड़े निर्देशित मिसाइलों और परमाणु हथियारों के लिए उपयोग किए जाते हैं।

ऐसी अन्य वस्तुएं हैं जिन्हें ऐतिहासिक रूप से तापीय बैटरी कहा जाता है, जैसे ऊर्जा-भंडारण ताप पैक जो स्कीयर हाथों और पैरों को गर्म रखने के लिए (हाथ गरम करने का साधन देखें) उपयोग करते हैं। इनमें ऑक्सीजन मुक्त लवण जल के साथ नम लौह चूर्ण होता है जो हवा के संपर्क में आने पर कुछ घंटों में तेजी से क्षरण करता है, जिससे ऊष्मा निकलती है। तत्काल ठंडा पैक एक गैर-रासायनिक चरण-परिवर्तन द्वारा ऊष्मा को अवशोषित करते हैं जैसे कि कुछ यौगिक के विलयन की ऊष्माशोषी ऊष्मा को अवशोषित करना।

इन अन्य तापीय बैटरियों का एक सामान्य सिद्धांत यह है कि इसमें सम्मिलित प्रतिक्रिया उत्क्रमणीय नहीं है। इस प्रकार, इन बैटरियों का उपयोग ऊष्मा ऊर्जा को संग्रहित करने और पुनः प्राप्त करने के लिए नहीं किया जाता है।

यह भी देखें

 * तापीय ऊर्जा भंडारण
 * मौसमी तापीय ऊर्जा भंडारण
 * भू-तल-युग्मित ऊष्मा विनिमयक
 * भूतापीय ताप पंप
 * अंतर्राष्ट्रीय भू-तल स्त्रोत ऊष्मा पम्प संघ
 * भाप संचायक