相变储能材料现状和应用

1、相变储能材料现状和应用1引言随着全球工业的高速发展，自从20世纪70年代出现了能源危机及大量的能源消耗导致的环境 污染和温室效应，人们一直在研究高效能源、节能技术、可再生环保型能源、太阳能利用技术等。如 何节约和利用有限的能源，是人类一直在研究的课题，近三十余年来一直受到国际能源界的广泛重视 储能技术作为一种合理、高效、清洁利用能源的重要乎段，已广泛用于工农业生产、交通运输、航空 航天乃至于日常生活。而储能技术的核心是储能材料，其中，相变储能材料与一般储能材料相比，具 有储能密度大、储热容器体积小、热效率高以及吸热放热温度恒定等优点，因此，成为近年来各国竞 相研究和开发的热点。2相变储能材料的

2、性能要求和分类相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换(从外界环境吸收热量或 者向外界环境放出热量)，从而达到控制环境温度和利用能量目的的材料。也就是利用相变材料在温 度高于相变点时吸收热量而发生相变(融化蓄热过程)，使其温度不再升高或升高较少；当温度下降， 低于相变点时，发生逆向相变(凝固放热过程)，相变材料可以恢复原来的相结构，放热进行工作。虽 然人们研究过的天然和合成的相变材料有很多种，但美国Dow化学公司对近两万种的相变材料进行了 测试，发现只有1%的相变材料可以进行进一步研究。1相变储能材料的性能要求对于实际使用的相变储能材料必须满足的一些要求有：合适的相变温度

3、；较大的相变潜热；合适的导热性能；在相变过程中不应发生熔析现象，以免导致相变介质化学成分的变化；必须在恒定的温度下 熔化及固化，即必须是可逆相变；不发生过冷现象(或过冷很小)，性能稳定；无毒，对人体无腐蚀；与容器材料相容，即不腐蚀容器；(8 )不易燃；较快的结晶速度和晶体生长速度；低蒸汽压；体积膨胀率较小;原材料易购，价格便宜。2相变储能材料的分类根据相变材料的相变形态、相变过程的不同，可分为固一液相变、固一固相变、固一气相变、 液一气相变储能材料，由于后两种相变储能材料在相变过程中有大量气体存在，材料有较大的体积变 化，因此，虽然它们有较大的相变焓，但是在实际应用中很少被选用。固一固相变材料

4、通常易发生严 重过冷、储热性能衰退快，而且储存材料的容器价格高，因此对其研究和应用也不是很多。目前研究 和应用较多的是固一液相变储能材料，因为其技术较成熟。根据相变材料的组成的不同，又可分为无 机化合物、有机化合物及有机/无机、无机/无机和纤维复合储能材料。无机相变材料使用较多的主要 是碱土金属卤化物、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐及醋酸盐等水合盐。其中醋酸盐类主要有CH3COONa 3H2O、 CH COONa2HO、CH COOLi 2H O 等；硝酸盐类有 Mg(NO ) 6H 0、Mg(NO) 4H 0、Ca(NO) 4H 0、 TOC o 1-5 h z 2323223223 22Zn(NO

5、 )4HO、Zn(NO ) 6H O、Zn(NO ) HO 等；硫酸盐类有 Na SO 10H O、FeSO 7H O 等；磷3 22323224242酸盐类有Na HPO12H O、K PO7H O、Na PO -HO等;碳酸盐类有Na CO 12H O等；卤化物类有CaC -6H O、2423423422322KF 4H2O 等。表1相变材料的分类相变材料液一气相变材料无机/无机相变储 能材料根据相变形态、过程的不同根据组成的不同根据相变温度的不同新型复合相变储能材料固一液相变材料无机化合物高温相变材料固一固相变材料有机化合物中温相变材料固一气相变材料有机/无机相变储能材料低温相变材料根据

6、相变温度的不同，相变材料可分为高温、中温和低温储能材料。高温材料的温度范围一般 在250C以上，主要是一些无机盐类，可用于一些特殊的高温环境。中温材料的温度范围为100 250C，低温材料为100C以下，主要是一些无机盐水合物、有机物、高分子，一般用于工农业、民 用等；无论按照哪种分类方法，单一的相变材料总有阻碍其应用的一些缺点。实际应用中，通常将两 种或多种材料复合形成复合相变储能材料以克服这些缺点，例如潜热型功能热流体、纳米复合相变储 能材料、定型相变储能材料、无机盐/陶瓷基复合相变储能材料以及高温相变复合材料等。综上所述，相变材料的分类见表1。2.3相变储能材料的机理相变材料从液态向固态

7、转变时，要经历物理状态的变化，在这两种相变过程中，材料要从环境 中吸热，反之，向环境放热。在物理状态发生变化时可储存或释放的能量称为相变热.发生相变的温 度范围很窄。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变。大量相变热转移到 环境中时产生了一个宽的温度平台，该温度平台的出现体现了恒温时间的延长，并可与显热和绝缘材 料区分开来（绝缘材料只提供热温度变化梯度）。相变材料在热循环时储存或释放显热。相变材料在熔化或凝固过程中虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。以冰一水的相变 过程为例，对相变材料在相变时所吸收的潜热以及普通加热条件下所吸收的热量作一比较：当冰融解 时，吸收335

8、J/g的潜热，当水进一步加热，每升高1C，它只吸收大约4J/g的能量。因此，由冰到 水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍。除冰一水之外， 已知的天然和合成的相变材料超过500种，且这些材料的相变温度和储热能力各不相同。把相变材料 与普通建筑材料相结合，还可以形成一种新型的复合储能建筑材料。这种建材兼备普通建材和相变材 料两者的优点。目前，采用的相变材料的潜热达到170J/g左右，而普通建材在温度变化1C时储存同等热量将 需要190倍相变材料的质量。因此，复合相变材料具有普通建材无法比拟的热容，对于房间内的气温 稳定及空调系统工况的平稳是非常有利的。相变材料应

9、具有以下几个特点：凝固熔化温度窄，相变潜热高，导热率高，比热大，凝固时无 过冷或过冷度极小，化学性能稳定，室温下蒸气压低。此外，相变材料还需与建筑材料相容，可被吸 收。3相变储能材料的应用相变储能材料在许多领域都具有应用价值，如电子器件热保护、太阳能利用、电力调峰、废热 利用、跨季节储热和储冷、食物保鲜、建筑隔热保温、纺织服装、农业等。1在太阳能方面的应用太阳能是一种清洁、无污染的能源，也是解决能源危机的重要途径之一，但太阳辐射能量要受 地理位置、昼夜和季节交替等规律性变化和影响，以及受到阴、晴、云、雨等随机因素的制约，具有 稀薄性、非连续性和不稳定性。为了保证供热或供电装置稳定不问断地运行，

10、就需要通过储热装置把 多余的太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，使用相变材料可以满足这种要求。如美国管道 系统公司应用CaC26H2O作为相变储能材料制成贮热管，用来储存太阳能和回收工业中的余热。该公 司称：100根长15cm、直径9cm的聚乙烯贮热管就能满足1个家庭所有房间的取暖需要。法国EIF Union 公司和美国的太阳能公司Na2SO4 10H2。作相变材料来储存太阳能，也都是应用较成功的实例。2在生态建筑业方面的应用随着高层建筑的快速发展，轻质建筑材料被大量使用，在轻质建筑材料中加入相变材料可以有 效解决室内温度波动的问题。在通入暖气后可以把热量存储起来，在暖气停止后再释放出来

11、，以维持 较为恒定的室温。在建筑领域中，一种很有前景的应用方式是将相变材料与现存的通用多孔建筑材料复合，即将相变材料储藏在多孔建筑材料中，使这些建筑材料同时具有承重和储能双重功能，是性价 比较高的新型建筑材料，具有明显的市场竞争力。3. 3在服装纺织品方面的应用美国Kallsas州立大学Shim等的研究表明，含相变材料的纺织品能使人体在较长时间内处于舒 适状态。把相变材料掺入纺织品后，如果外界温度太高，则相变材料熔化吸收热量，不随外界温度的 升高而升高；反之，若外界环境温度降低，则相变材料结晶而释放出热能，使体表温度不随外界温度 的降低而降低，始终维持在舒适范围内。第一次海湾战争期间，由于海湾

12、地区的高温和阳光照射，使舰船甲板表面温度达到60C以上。 持续高温使美军参战官兵体能消耗极大，美军紧急要求国内提供降温服装，Triangle公司很快研究 制成了一种含有相变材料大胶囊的夹克，部分解决了甲板士兵的降温问题这种夹克经过改进于2001 年用于海军陆战队的三防服。该夹克可在40C的气温下保持服内舒适达1-2小时，并且很容易再生， 有效延长了美军作战部队在酷热条件下的战地值勤时间。美国军方还利用该原理制成了温度调节织物， 在海军低温干式潜水服、空军防寒抗浸服、防红外隐身服装和陆军士兵保温靴袜等方面使用，具有良 好的保温或降温效果。我国地域辽阔，南北温差很大。南沙群岛驻军、海军士兵、三北地

13、区秋冬季士 兵服装和防化兵士兵以及夏季武警战士均需要类似的特殊保温或降温服装，年需求量在10万套以上。4在温室中的应用在温室内部设置潜热蓄热增温器就是利用相变材料的潜热特性，储存农用栽培温室中白天过量 的太阳能，当夜晚温度下降到一定范围后释放出储存的热能，使一天之中温室内温度曲线的高峰区有 所下降，而低谷区有所上升，昼夜之间的温差变小。结果表明，冬季夜间温室的最低温度可以提高6C， 增温效果明显。研究表明：相变材料不仅可以调节温湿度的温度，还可以自动调节温室内湿度，并且 能够有效节约温室的运行费用和能耗。除了以上介绍的各方面应用外，相变储能材料还在其它方面有着广泛的应用如在电力“移峰填 谷”方

14、面的应用，可以利用相变材料在夜间用电低谷时储存多余的能量(将电能转化为热能或冷能)， 到白天用电高峰时再释放出来，缓解电网负荷：另外还可以用在理疗上。用相变材料制作各种温度段 且适合人体部位形态的热敷袋。蓄冷也是相变材料非常有前途的应用领域，我国近年来研制了 KD系 列蓄冷剂用于冰箱、冰柜、保鲜箱的夹层，甚至将相变蓄冷材料应用于中央空调系统以代替冰一水蓄冷。4相变储能材料发展展望及发展建议1相变储能材料发展展望近年来国内外学者对相变材料进行了大量的研究，有关报道层出不穷，但仍存在耐久性、经济 性和储热性能等方面的问题。预计今后将呈现以下几个发展方向：开发物理、化学性质稳定、价格低廉、储热性能好

15、的新材料；开发各种温度范围的相变材料，以适合不同温度的使用要求，特别是加快研究防止过冷和相 分离的新方法；筛选符合环保要求、可循环利用、性价比相对较高的相变材料进行深入的研究；(4 )选取安全、可靠的封装容器和载体基质；改善相变材料的导热性能和相变速率；掌握相变材料之间的复合原则，以弥补各自的不足；随着纳米技术的发展，制备出新型、高效的纳米复合储能材料；开发出多功能相变材料，如导电相变材料、形状记忆相变材料等；结合新的物理、化学技术，降低成本，实现工业化生产，促进相变材料在民众生活中的应用；开创潜热储能材料新的应用领域。2开展相变储能材料(元件)研究的相关建议研究相变储能材料在元器件防护方面的

16、应用可以利用相变储能材料在高温时吸收热量，低温 时释放热量的特点使元器件始终处于合适的温度范围内，实现对元器件的防护。制备新材料据报道，日本麦克赛尔开发出了具有耐热性能的锂离子充电电池用隔膜。该隔膜是在锂离子充 电电池内部用于隔开正极材料和负极材料的部材，一般情况下，为采用聚烯烃制成的多孔膜，在多孔 膜上涂布了板状的无机微粒子。与普通的隔膜相比，既使在180。，该隔膜的热收缩现象也很少，仍 然可以保持其形状。并且通过预防内部短路，提高了安全性能。利用磁带制造等方面的技术，使形成的无机微粒子形状均一。通过控制内部电阻值上升，从而 抑制了其输出功率和容量的减少。在聚烯烃膜上平面排列及涂布板状无机微粒子，既使在聚烯烃膜较 薄的情况下，也可充分维持其性能。这样，包括基于无机微粒子的耐热层在内的该隔膜厚度与现有的 普通隔膜达到了同一水平。太阳能级多晶硅相关标准的制定全世界太阳能电池加速普及，太阳能光伏产业爆炸式发展，造成太阳能级多晶硅严