相变储能课件

姓名：魏敏学号：相变储能材料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材料。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。如在冬季，相变储能材料白天吸收太阳能，夜间释放热量进行供暖；在夏季，相变储能材料吸收室内余热，降低室内温度。

相变储能材料的概述相变储能材料节能原理

储能机理利用材料的比热容或者材料温度的变化（显热）。利用材料物态的转变（相变热）主要内容相变储能材料的分类1相变储能材料制备方法2相变储能材料性能表征及测试方法3相变储能材料的应用4对相变储能材料未来展望5相变储能材料的分类12按照化学成分一般可分为：1.无机类2.有机类按照相变过程一般分为：1.固-固相变2.固-液相变3.固-气相变4.气-液相变3按照相变温度一般分为：1.低温2.高温3.中温结晶水和盐陶瓷基复合材料石蜡多元醇1.1无机相变储能材料无机相变材料主要包括：结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金和氟化物等。该类相变材料是中低温相变材料中重要的一类，用得较多的是碱金属和碱土金属的卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、碳酸盐等的水合物。优点有溶解热大、导热系数高、相变体积小、体积蓄热密度大、价格较便宜缺点过冷度大、易产生相分离和老化变质等不利影响解决方法：加成核剂和增稠剂等1.2有机相变储能材料有机相变材料常用的有：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。尿素、CnH2n+2，

CnH2n02

、C10H8

、PE、PEG、PMA、PA等都是其中的典型材料。一般说来，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。但随着碳链的增长，相变温度的增加值会逐渐减小。1.3固-固相变储能材料由于固-固相变材料潜热小和相变温度高，因此没有固-液相变材料应用广泛。固-固相变材料是通过材料晶型的转换来储能与释能，在其相变过程中具有体积变化小、无泄漏、无腐蚀和使用寿命长等优点。近年来研究较多的主要有三类：多元醇类、高分子类和无机盐类。2.1封装法封装相变材料法就是把基体材料按照一定的成形工艺制备成微胶囊、多孔或三维网状结构,再把相变材料灌注于其中或把载体基质浸入熔融的相变材料中。其中微胶囊化技术包括界面聚合法和原位聚合法:⑴界面聚合法是将两种反应单体分别存在于乳液互不相溶的分散相和连续相中,而聚合反应是在相界面上发生的。这种制备微胶囊的工艺优点为:可以在常温下操作,而且方便简单、效果好。缺点:①对壁材要求较高,被包覆的单体要有较高的反应活性;②制备出的微胶囊夹杂有少量未反应的单体;③界面聚合形成的壁膜的可透性一般较高,不适于包覆要求严格密封的芯材等。⑵原位聚合法的技术特点是:单体和引发剂全部置于囊心的外部且要求单体可溶,而生成的聚合物不溶,聚合物沉积在囊心表面并包覆形成微胶囊2.2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。2.3吸附法石膏、水泥、混凝土等建筑材料内含大量微孔，常作为定形相变材料的载体材料。以多孔材料为基体制备FSPCM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。用浸泡法制备的FSPCM会出现相变材料富集于表层，熔化时从表面渗出的现象，同时芯层相变材料含量较低，整体相变潜热不高。用混合法值得的FSPCM，由于PCM颗粒在载体材料中处于随机分布状态，其间的传热是多维的，这会影响储/放热速率及对潜热的利于效率。浸泡法和混合法的优点是工艺简单、成本低。2.4溶胶凝胶法溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。该法反应条件温和，可用于制备纳米粉体、纳米纤维，纳米膜、纳米复合材料及纳米组装材料。张静等以正硅酸乙酯为前驱体，以棕榈酸相变材料为主体，无水乙酸为溶剂，盐酸为催化剂，进行溶胶凝胶反应，制备了PA-SiO2纳米复合定形相变材料。3.

相变储能材料的性能要求及表征方法

性能要求：根据储能材料的使用特点和性能要求,相变材料一般须满足以下要求:储能密度大,能源的转换效率高;稳定性好,单组分材料不易挥发和分解;对多组分材料,则要求各组分间结合牢固,不会发生离析现象;无毒、无腐蚀、不易燃易爆,且价格低廉;导热系数大,以便能量可以及时地储存或取出;不同状态间转化时,材料体积变化要小;需要合适的使用温度。根据以上分析,对储能材料一般采用以下测试方法进行表征:DSC和DTA分析2.TG分析SEM分析4.时间-温度曲线法3.1

差示扫描量热法(DSC)和热分析法(DTA)

储能材料的储能温度范围和储能密度是相变材料的主要物理性能,研究此性能常用的方法有差示扫描量热法DSC和热分析法TA法。DSC法和DTA法都可以测试出相变材料的熔点(范围)、冰点(范围)以及相变材料的过冷度。另外,DSC分析还可以提供熔解热、固化热等反应材料性能的重要数据;而DTA分析可以反应出新相的形成和分离现象。3.3扫描电镜（SEM）扫描电镜一种新型的电子光学显微镜。它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、精深大等特点。扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。（细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。扫描电镜可以对制备出的相变材料断面进行观测,以确定其结构的均匀性和稳定性。3.4时间－温度曲线法时间－温度曲线法属于非稳态法测量导热系数的方法，利用圆柱体的一维非稳态传热模型导出的计算式,只要测量相变储能材料完全相变的时间即可得到导热系数。该方法的原理及装置简单,操作方便,所用材料的量较大,可以同时测量相变储能材料的潜热、相变温度、导热系数等多个物性,并且克服了以往在测量导热系数时只能测定特定形状的固态物质的不足,它可以用来测量任何形状形态物质的导热系数,尤其是可以测量液态物质的导热系数,为实际应用带来了很大的方便。4.1在太阳能方面的应用太阳能是巨大的能源宝库，是解决当前能源危机和环境污染的理想能源，但是到达地球表面的太阳辐射能量密度偏低，且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约，表现出稀薄性、间断性和不稳定性等特点。为了保证供热或供电装置的稳定不问断的运行，需要利用相变储热装置，在能量富裕时储能，在能量不足时释能。美国的管道系统公司PipeSystemsInc．应用CaC12·6H2O作为相变材料制成储热管，用来储存太阳能和回收工业中的余热。美国的太阳能公司(SolarInc．)利用Na2SO4·1OH2O作相变材料来有效地储存太阳能。太阳能热发电储热系统中的相变储热材料主要为高温水蒸汽和熔融盐，利用熔融盐作为储热介质具有温度使用范围宽，热容量大，粘度低，化学稳定性好等优点，但盐类材料在高温下对储热装置有较强的腐蚀性。现有研究表明可以应用于空间太阳能热动力系统的相变材料主要为金属及其共晶混合物等，目前研究较多的是氟盐及其共晶混合物。有机相变材料具有相变温度适应性好、相变潜热大、理化性能稳定等优点，因而在太阳能储热利用中受到普遍关注，常用材料为一些醇、酸、高级烷烃等，如熔点为55．1℃热熔为160kJ／kg的硬脂酸，熔点82℃热熔为263kJ／kg的乙酰胺等。4.2在工业余热方面的应用在许多工业领域中，如电力、化工、钢铁等，都会产生大量余热，热效率通常低于30％，节能的重点是回收烟气余热(热损失达50％以上)。传统的做法是利用耐火材料的显热熔变化来储热，这种储热设备的体积大、储热效果不明显。而采用相变材料储热系统，可将这些工业余热收集和储存起来，储热设备体积可减小30％～50％，同时可节能15％～45％，并且可以运输到其它地点，满足相应的热能需求。采用相变材料处理和利用工业余热，具有蓄热密度大、体积小、便于运输、灵活等优点，是提高能源利用效率的有效途径之一。4.3在液化天然气冷能蓄冷中的应用液化天然气(-163℃)在气化过程中会放出大量冷能，用低温相变储能材料设计建造具有针对性的冷能储存示范装置，可解决目前LNG气化大范围波动，冷能供应不稳定问题，以此提高LNG冷能利用率，推动能源资源的循环利用。日本大阪大学在开展LNG低温冷能储存技术的开发工作，他们采用正戊烷作为相变材料在LNG蒸发气(BOG)的再液化处理中引入基于相变材料的冷能储存技术，可提高系统的运行效率。图为液化天然气冷能储存示意图4.4在电力调峰中的应用在盛夏或严寒时节空调或取暖等设备往往集中使用，造成电力紧张，而在其他时段又电力过剩，出现电力峰谷现象。过大的电力峰谷差造成发电设备过剩和能源浪费。在电力需求的波谷时段，可采用相变储能复合材料蓄存由空调或制热设备产生的冷量和热量，用于电力波峰时段，降低空调等设备在波峰时段的用电强度，实现节电、节能和节约资源的效果，借助分时电价还可为用户节约电费支出。4.5在建筑节能方面的应用PCM应用于建材的研究始于1982年，由美国能源部太阳能公司发起。随着高层建筑的快速发展，轻质建筑材料被大量采用；但是，轻质建筑材料的热容较低，不利于平抑室内温度波动，而在其中加入相变物质是解决这一问题的有效方法。目前已开发出各式各类的相变材料用于混凝土、砂浆、天花板、墙体、窗户和地板中，利用太阳能来蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内的温度波动，提高舒适度，以及节约能耗。考虑到人对居住建筑舒适性的要求，用于建筑的相变材料必须满足以下几个条件：①相变材料的相变温度必须在室内舒适温度范围附近，如冬季室内温度在18～22℃，夏季室内温度在22～26℃左右；②相变材料不能从原始建筑基材中泄漏、耐久性好；③须在固定温度下熔化及固化，即必须是可逆相变，不发生过冷现象(或过冷度很小)；④相变材料必须与建材相结合，相容性好；⑤无毒，不易燃，体积膨胀小，价格低。4.6在农业温室中的应用PCM可用于控制农业温室的内部温度。在一些地区如中国西部，昼夜温差很大。白天，日照强烈，对温室的升温效果非常明显，常需采取一些散热措施，以防止温室内出现过热。而在夜间，降温很快，又需要对温室进行加热，以维持温室内部温度。日间散热和夜间加热都需要复杂昂贵的设备，增加了温室成本。而使用相变材料可同时达到日间降温和夜间加热的双重目的。日间相变材料可用吸收并蓄存太阳照射的热量，控制温室内温度过度上升，具有降温效果。夜间储存在相变材料内的热量逐渐释放出来，防止温室内温度下降，具有加热效果。在农业温室中引入相变材料具有投入少、结构简单、不需维护等优点。相变材料还可以在纺织行业、医疗保健、航空和航天器材、电器防热外壳、保温盒、自动化机柜温度控制、具有严格温度使用条件的特种仪器以及电子器件中作为散热材料等诸多方面进行广泛的应用。在军事领域还可用作红外伪装，装甲车内温度控制等。其他方面5相变储能材料研究存在问题和发展方向5.1存在问题a.相变储能材料的耐久