利用相变储能材料的热能储存技术及其应用Word格式.docx

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Thermalenergystoragetechniquewithphasechangestoragematerialsisanimportantapproachofenhancingtheefficiencyofthermalenergytranslationandrecoveryutilization,andoneoftheefficientwaysofstoringreproducibleenergybecauseoftheircharacteristicssuchashigherenergystoragecapacity,isothermalenergystorageordischargeandeasieroperationcontrol.Therearemanykindsofphasechangestoragematerialsthatmeltandsolidifyatawiderangeoftemperatures,whichmakesthemattractiveinalotofengineeringapplications.Thisarticlepresentsanoverviewofthermalenergystoragetechniquesandtheirapplicationsinengineering.

Keywords:

phasechangestoragematerials;

thermalenergystoragetechnique;

engineeringapplication

一．引言

近年来，当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题。

开发利用可再生能源对节能和环保具有重要的现实意义。

开发新能源提高能源利用率已成为工业发展的重要课题。

因此，相变储能材料（phasechangematerial）成为国内外能源利用和材料科学方面的研究热点。

相变储能技术可以解决能量供求在时间和空间上不匹配矛盾，也就是可以在能量多时可以储能，在需要时释放出来，从而提高能源利用率。

一些发达国家在推广应用相对比较成熟的储能技术和储能材料，以期待不断提高技术性、经济性和可靠性。

我国也在这方面进行了积极的研究[1-3]。

相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境中吸收热（冷）量或向环境放出热（冷）量，从而达到能量储存和释放的目的。

利用此特性不仅可以制造出各种提高能源利用率的设施，同时由于其相变温度近似恒定，可以用来调整控制周围环境的温度，并且可以多次重复使用。

在中国建筑能耗的比例正在逐年增加，国外已达到40%以上，我国也达到30%左右，而且还有逐年增加的趋势，这也就为建筑节能留出了很大的空间。

建筑节能已成为继交通节能、工业节能之后的第三大领域。

按照新节能法的要求，我国的建筑节能指标从50%提高到65%，并要兼顾冬季供暖与夏季空调的能源平衡。

在众多的节能方法中，近年来新出现的相变储能材料，逐渐成为建筑节能的新宠。

相变储能建筑材料可用普通建材的通用设备进行加工，使其兼备普通建材和相变储能材料两者的特点，在施工过程中能够和其他传统建筑材料同时施工，不需要特殊的知识和技能来安装使用相变储能建筑材料；

在使

用过程中，不需要消耗现有的能源，在经济效益上具有竞争性。

但相变储能节能技术还是一项新的节能技术，在国外也只处于中试用阶段，我国还只处于研究开发和小试阶段，离全面推广应用还有一段路要走。

二．相变储能材料介绍

相变储能原理

相变储能材料的英文全称为PhaseChangeMaterials，简称为PCM。

相变储能材料是指在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，从而达到调控环境温度的一类物质。

具体相变过程为：

当环境温度高于相变温度时，材料吸收并储存热量，以降低环境温度；

当环境温度低于相变温度时，材料释放储存的热量，以提高环境温度。

由于相变储能材料具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能，因而通过恰当的设计将相变材料引入建筑材料中，可以使室外温度和热流波动的影响被削弱，把室内温度控制在舒适的范围内。

利用此特性，相变储能材料可被用于储存能量或控制环境温度目的，在建筑节能等许多领域具有应用价值。

相变储能材料是继纳米材料后，又一次材料界的革命，该技术对建筑节能、解决能源紧张有着重要的应用价值。

使用相变材料还有以下优点：

其一，相变过程一般是等温或近似等温的过程，这种特性有利于把

温度变化维持在较小的范围内，使人体感到舒适；

其二，相变材料有很高的相变潜热，少量的材料可以储存大量的热量，与显热储热材料（如混凝土、砖等）相比，可以大大降低对建筑物结构的要求，从而使建筑物采用更加灵活的结构形式。

相变储能材料的分类

相变储能材料的种类繁多，根据不同划分方法可以分成不同的类别。

根据相变过程一般可分为：

固-固相变、固-液相变、固-气相变和液-气相变。

根据化学成分通常分为：

有机类和无机类。

根据相变温度通常分为：

低温、中温和高温相变储能材料[1-3]。

（1）无机相变储能材料

1、固-液无机盐高温相变储能材料

固-液相变材料是指在温度高于相变点时,物相由固相变为液相吸收热量,当温度下降时物相又由液相变为固相放出热量的一类相变材料。

目前,固-液无机盐高温相变材料主要为高温熔融盐、部分碱、混合盐。

高温熔融盐主要有氟化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐等。

它们具有较高的相变温度,从几百摄氏度至几千摄氏度,因而相变潜热较大。

例如LHi相对分子质量小而熔化热大（2840J/g）。

不过此类盐存在价格昂贵、对设备要求高的缺点,一般只用于航天航空等特殊场合。

碱的比热容高,熔化热大,稳定性好。

碱在高温下蒸汽压力很低,且价格便宜,也是一种较好的中高温储能物质。

例如NaOH在287e和318e均有相变,比潜热达330J/g,在美国和日本已试用于采暖和制冷方面。

混合盐熔化

热大,熔化时体积变化小,传热较好。

混合盐的最大优点是熔融温度可调,可以根据需要把不同的盐配制成相变温度从几百摄氏度至上千摄氏度的储能材

料。

表1列出了部分无机盐高温相变储能材料料热物性值[1-2]

2、固-固无机盐高温相变储能材料

固-固相变储能材料是利用材料的状态改变来储、放热的材料。

目前,此类无机盐高温相变储能材料已研究过的有NH4SCN,KHF2等物质。

KHF2的熔化温度为196e,熔化热为142kJ/kg;

NH4SCN从室温加热到150e发生相变时,没有液相生成,相转变焓较高,相转变温度范围宽,过冷程度轻,稳定性好,不腐蚀,是一种很有发展前途的储能材料。

3、无机盐高温相变复合储能材料

近年来,高温复合相变储能材料应运而生,其既能有效克服单一的无机物或有机物相变储能材料存在的缺点,又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。

因此,研制高温复合相变储能材料已成为储能材料领域的热点研究课题之一。

目前,已研究的无机盐高温复合相变材料主要有3类:

金属基/无机盐相变复合材料、无机盐/陶瓷基相变复合材料和多孔石墨基/无机盐相变复合材料

复合材料放热性能曲线

（2）有机储能材料

常用的有机相变材料有：

高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等，另外高分子类有：

聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类以及其他的一些高分子。

一般说来说，同系有机物的相变温度和相变焓会随着其碳链的增长而增大，这样可以得到具有一系列相变温度的储能材料。

常用的品种为石蜡类，其相变温度范围为-12~75.9℃，相变热为150~250kJ/kg（与无机盐类相当），这类储能材料的优点是：

固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定。

缺点是：

导热系数小、密度小、易挥发、易燃和相变时体积变化大等。

可以加入铝粉、铜粉等导热系数高的金属粉加以改善。

其他的还有尿素、CnH2n+2，CnH2n02、C10H8、PE、PEG、PMA、PA等。

同样的，有机固一固相变储能材料的也存在着诸如成本高，相变温度高，传导能力差等缺点，这些缺点限制了其应用的场合。

有机固一液相变储能材料虽然不易发生相分离及过冷，腐蚀性较小，相变潜热大，但是在相变中有液体产生，具有一定的流动性。

因此必须有容器盛装且必须密封，以防泄露而腐蚀或污染环境，这些大大束缚了固一液相变材料在实际中的应用。

目前，为了克服固一液相变储热材料流动性的缺点，在储能材料中加入高分子树脂类（载体基质）如：

聚乙烯、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯等，使它们熔融在一起或采用物理共混法和化学反应法将工作物质灌注于载体内制备而得。

但这类材料存在着储能能力下降、机械性能下降等矛盾

三.相变材料制备方法

1．熔融共混法

利用相变物质和基体混合加热熔化,再搅拌均匀，再冷却制成组分均匀的储能材料。

此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变材料,IndabaH等人通过熔融共混法成功地制备出石蜡/高密度聚乙烯定形相变材料[4]。

2．吸附法

石膏、水泥、混凝土等建筑材料内含大量微孔，常作为相变材料的载体材料。

以多孔材料为基体制备PCM的方法有浸泡法和混合法两种。

浸泡法是将由多孔材料制成的一定形状的物体浸泡在液态相变材料中，通过毛细管吸附作用制得储能复合材料。

混合法是将载体材料原料与相变材料先混合再加工成一定形状的制品。

3.压制烧结法

这种方法首先将载体基质和相变材料球磨成直径小于几十微米的粉末，然后加入添加剂压制成型，最后在电阻炉中烧结。

这种方法通常用于制备用于高温的相变储能材料,例如:

张仁元、Randy、张兴雪等人利用此方法成功地制备出Na2CO3-BaCO3/MgO,Na2SO4/SiO2以及NaNO3-NaNO2/MgO无机盐/陶瓷基复合储热材料。

这种材料应用于高温工业炉，既能起到节能降耗得作用，又能减少蓄热室的体积，有利于设备的微型化。

除了上述制备方法外，还有界面聚合法、喷雾干燥法、电镀法和溶胶凝胶等新型方法[17-18]。

因为相变储能材料在建筑领域应用的比较多，所以特别提出相变储能材料与建筑材料的结合方法：

对于固/液类相变材料，因在相变时有液体产

生，会导致对周边基体材料的污染甚至腐蚀。

因此，在实际应用时，要对相变材料的进行适当的改性处理后，才能混入建筑材料中。

目前的混入方法有如下几种：

1、直接渗入法

此法为直接将固/液类或固/固类相变材料渗入多孔的建筑材料基体中，优点为操作简单。

但固/液类相变材料发生相变时产生的液体易发生外露或腐蚀基体材料。

因此，对于固/液类相变材料一般要先进行预处理，具体为先与半流动性的硅石细粉等材料混合，然后再与建筑材料混合。

适合此