第二章 相变储能材料的分类和选择

第二章相变储能材料的分类和选择 2 1储热的几种方式 显热储能潜热储能 热容 对不发生相变化和化学变化 且非体积功等于零的封闭系统 系统每升高单位热力学温度 1K 所吸收的热 利用材料的热容 通过升高或降低材料的温度而实现热量的存储或释放的过程 平均热容 显热储能 如 太阳能热储存方式 水 土壤 砂石及岩石是最为常见的显热储热材料 德国汉堡生态村的设计中 采用了一个容量为4500L的大储水罐作为储存一年四季中采集的太阳能的储存设备 美国华盛顿地区利用地下土壤储存太阳能 用于供暖和提供生活热水 在夏季结束时 土壤温度可上升至80 而在供暖季节结束时 温度降低为40 显热储能的特点 优点原理简单 材料来源丰富 成本低廉系统结构简单 运行方便缺点储能密度小 储能装置体积大 潜热储能 利用物态转变过程中伴随的能量吸收和释放进行的 相变潜热 相变过程中伴有的能量的吸收或释放 这部分能量称为相变潜热 比显热储能高得多的储能密度 潜热储能的优点 如 水 水在大气压力下 水沸腾其潜热约为2260kJ kg 冰融化其潜热为355kJ kg 水在1个大气压力下 从20 加热到40 温差为20 的显热仅为84kJ kg 4 SolidGas 1 SolidSolid 2 SolidLiquid 融化或熔化 凝固或固化 3 LiquidGas 汽化或蒸发 液化或凝结 升华 凝华 实际很少利用相变过程中气体所占体积太大 可行的相变储能方式材料的体积变化小 2 2储能材料的相变形式 2 3相变储能材料的定义及评价标准 利用某些物质在相转变过程中的吸热和放热 可以进行热能的储存和温度调节控制 这种具有热能存储和温度调控功能的物质称为相变材料 Phasechangematerials PCMs 不是所有物质的相变过程都可以用于储能目的 PCMs能够 经受无限制次数的熔化和凝固循环 其物理与化学性质没有变化 1 定义 熔点 在需要的温度范围内 单位质量潜热大 以便以较少的数量即能储存给定数量的热能 密度高 这样盛装的容器会更小 比热大 以提供额外的显热效果 热导率大 以便储 放热时储存物质内的温度梯度小 协调融解 材料应该熔化完全 以使液相和固相在组成上完全相同 否则 因液体与固体密度差异发生分离 材料的化学组成改变 相变过程的体积变化小 以使盛装容器形状简单 2 3相变储能材料的定义及评价标准 2 评价标准 1 热力学标准 凝固时无过冷现象或过冷度很小 熔体应该在其热力学凝固点结晶 这可通过高的晶体成核速度 Nucleationrate 及生长速率来实现 有时也可向储热材料中加入成核剂或 冷指 Coldfinger 来抑制过冷现象 2 动力学标准 2 3相变储能材料的定义及评价标准 2 评价标准 高稳定性 不发生分解 以使潜热储能材料具有长期的使用寿命 对构件材料无腐蚀作用 材料应该无毒性 不燃 无爆炸性 3 化学标准 2 3相变储能材料的定义及评价标准 2 评价标准 4 经济标准 可大量获得 廉价 先考虑有合适的相变温度和较大的相变热 再考虑各种影响研究和应用的综合性因素 2 4相变储能材料的分类 高温储能材料 250 以上 中温储能材料 100 250 低温储能材料 100 以下 按照相变温度的范围 相变材料 无机类 有机类 混合类 结晶水合盐 如Na2SO4 10H2O 熔融盐 有机类与无机类相变材料的混合 金属 包括合金 石蜡类 酯酸类 其它有机类 其它无机类相变材料 如水 按照材料的组成成分 2 4相变储能材料的分类 2 4 1固 液相变材料 1 无机类 结晶水合盐 结晶水合盐提供了熔点从几摄氏度到一百多摄氏度的可供选择的相变材料 结晶水合盐的通式 AB mH2O 相变机理 Na2SO4 10H2O 芒硝 Glauber ssalt MgCl2 6H2OCaCl2 6H2O 常用的结晶水合盐 2 4 1固 液相变材料 是中 低温储热相变材料中重要的一类 优点 使用范围广 价格较便宜 导热系数较大 与有机类相变材料相比 融解热较大 密度较大 体积储热密度较大 一般呈中性 结晶水合盐的特点 2 4 1固 液相变材料 导热系数是指在稳定传热条件下 1m厚的材料 两侧表面的温差为1度 K 在1秒钟内 1S 非1H 1小时内 通过1平方米面积传递的热量 单位为瓦 米 度 W m K 此处为K可用 代替 1 过冷现象 物质冷凝到 冷凝点 时并不结晶 而须到 冷凝点 以下的一定温度时方开始结晶 导致物质不能及时发生相变 从而影响热量的及时释放和利用产生原因 水合盐结晶时成核性能差解决办法 加成核剂 如 芒硝 成核剂为硼砂 冷指法 即保留一部分冷区 使未融化的部分晶体作为成核剂 存在问题 2 4 1固 液相变材料 存在问题 2 4 1固 液相变材料 2 相分离 当温度上升时 释放出来的结晶水的数量不足以溶解所有的非晶态固体脱水盐 由于密度的差异 这些未溶脱水盐沉降到容器底部 在逆相变过程中 即温度下降时 沉降到底部的脱水盐无法与结晶水结合而不能重新结晶 使得相变过程不可逆 形成相分层 导致溶解的不均匀性 从而造成储能能力逐渐下降 解决办法 加增稠剂 可防止混合物中成分的分离 加晶体结构改变剂 盛装相变材料的容器采用薄层结构 摇晃或搅动 2 有机类 石蜡 高级脂肪烃类 脂肪酸 醇类多羟基碳酸类 聚烯烃类 聚多元醇类 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 但随着碳链的增长 相变温度的增加值会逐渐减小 其熔点最终将趋于一定值 高分子化合物类的相变材料 由于它是具有一定分子量分布的混合物 并且由于分子链较长 结晶并不完全 因此它的相变过程有一个熔融温度范围 而不像低分子量的物质有一个熔融尖峰 2 4 1固 液相变材料 优点 在固体状态时成型性较好 一般不容易出现过冷现象和相分离 材料的腐蚀性较小 性能比较稳定 毒性小 成本低 有机类相变材料的特点 2 4 1固 液相变材料 缺点 导热系数小 密度较小 从而单位体积的储能能力较小 熔点较低 不适于高温场合中应用 易挥发 易燃烧甚至爆炸或被空气中的氧气缓慢氧化而老化 2 4 2固 固相变储能材料 1 无机盐类 利用固体状态下不同种晶型的变化而进行吸放热的材料 主要有层状钙钛矿 Li2SO4 KHF2等 它们的相变温度较高 适合高温范围的储能和控温 中 低温的材料较少 且由于其相变焓一般较小 因此不能完全满足人们的需要 目前在实际中应用也不是很多 2 多元醇类 季戊四醇 新戊二醇 2 氨基 2 甲基 1 3 丙二醇 三羟甲基乙烷 三羟甲基氨基甲烷 该相变材料储能原理是利用晶型之间的转变来进行吸热或放热的 它们的相变焓较大 相变温度适合于中 高温储能应用 对低温储能不太适用 2 4 2固 固相变储能材料 3 高分子类 一些高分子交联树脂 如交联聚烯烃类 交联聚缩醛类和一些接枝共聚物 2 4 2固 固相变储能材料 高分子类相变材料目前种类较少 尚处在研究开发阶段 2 4 2固 固相变储能材料 固 固相变材料的优点 它无需容器盛装 可以直接加工成型 固 固相变膨胀系数较小 体积变化小 无过冷现象和相分离现象 无毒 无腐蚀 无污染 性能稳定 使用寿命长 使用方便 装置简单 固 固相变材料是最有前途的研究领域之一 由于对固 固相变研究的时间相对较短 尚有大量的未开垦的领域 2 4 3复合相变材料 1 胶囊包覆 将相变材料封闭在球形的胶囊中 制成胶囊型复合相变材料来改善应用性能 优点 能有效解决相变材料的泄漏 相分离以及腐蚀性等问题 缺点 胶囊体材料大都采用高分子物质 其热导率较低 从而降低了相变材料的储热密度和热性能 2 4 3复合相变材料 2 与多孔基质复合 利用具有大比表面积微孔结构的无机物作为支撑材料 通过微孔的毛细作用力将液态的有机物或无机物相变储热材料 高于相变温度条件下 吸入到微孔内 形成有机 无机或无机 无机复合相变储热材料 2 4 3复合相变材料 3 与高分子材料复合 将有机相变材料与高分子材料进行复合 制备出在发生相变前后均呈固态而保持形体不变的定形相变材料 图1储能材料的分类 物质在物态转变 相变 过程中 等温释放的相变潜热通过盛装相变材料的元件 将能量储存起来 待需要时再把能量 热 冷 通过一定的方式释放出来供用户使用 2 5相变储能技术的原理 2 6相变储能系统的基本要求 在要求的温度范围内 有合适的相变材料为了盛装相变材料 必须有合适的容器具有合适的换热器 这个换热器使热能从热源传给相变材料 然后从相变材料传给使用点 相变