相变储热材料的制备与应用

相变储热材料的制备与应用

摘要：热能储存可以通过蓄热材料的冷却、加热、熔化、凝固。气化、化学反应等方式实现。它是一种平衡热能供需和使用的手段。热能储存按储热方式可分为三类，即显热储能、潜热储能和化学反应储热。

关键词：相变；储热；复合材料

一、相变材料在国内外的发展状况

国外对相变储能材料的研究工作始于20世纪60年代。最早是以节能为目的，从太阳能和风能的利用及废热回收，经过不断的发展，逐渐扩展到化工、航天、电子等领域。近年来最主要的研究和应用集中在建筑物的集中空调、采暖及被动式太阳房等领域。国外研究机构和科研人员对蓄热材料的理论研究工作，尤其是对蓄热材料的组成、蓄热容量随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的研究，在实际应用上也取得了很大进展。

相对于已经进入实用阶段的发达国家，我国在20世纪70年代末80年代初才开始对蓄热材料进行研究，所以国内相变储能材料的理论和应用研究还比较薄弱。上世纪90年代中期以来，国内研究重点开始转向有机相变材料和复合定形相变材料的研究开发。

二、相变储热材料的分类

（1）从材料的化学组成来看，主要分为无机类相变材料和有机类相变材料，而在课堂上我们主要讲解的是有机类相变材料。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等无机物。与无机类相变储能材料相比，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒，腐蚀等优点。其中石蜡类相变潜热量大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。但石蜡类相变储能材料热导率较低，也限制了其应用范围。为有效克服石蜡类有机化合物相变储能材料的缺点，同时改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围，复合相变储能材料应运而生。复合相变材料由较稳定的有机化合物和具有较高导热系数的无机物颗粒制备而得，因而复合相变材料具有稳定的化学性质，无毒无腐蚀性或毒性和腐蚀性小。同时它的导热能力较有机物有较大的改善。

(2)根据使用的温度不同又可以分为高、中、低温相变储热材料。一般使用温度高于100℃的相变储热材料称为高温相变储热材料。以熔融盐、氧化物和金属及其合金为主。使用温度低于100℃为中、低温相变储热材料，这类相变材料以水合盐、石蜡类、脂酸类为主，在低温类中也有利用液-气相变型的，如液氮、氦。

（3）从蓄热过程中材料相态的变化方式来看，可分为固液、固气、液气、固固四种相变。由于固气和液气两种方式相变是有大量气体产生，使材料的体积变的很大，所以实际中很少采用这两种方式。

三、相变材料的分类选择因素

（1）合适相变温度；

（2）较大的相变潜热；

（3）合适的导热性能；

（4）性能稳定，可反复使用而不发生熔析和副反应；

（5）相变的可逆性，过冷度要尽量小；

（6）符合绿色化学要求:无毒、无腐蚀、无污染；

（7）使用安全、不易燃。易爆或氧化；

（8）蒸汽压要低使之不易挥发损失；

（9）材料密度较大，从而确保单位体积储热密度较大；

（10）体积膨胀较小；

（11）成本低廉，原料易得。

实用型的相变储热材料需要满足以上各项基本原则，但选用时也可以结合实际的应用情况，在满足主要条件之下，采用一定的技术和手段来克服其缺点和不足。

四、相变材料的应用领域

（1）在太阳能方面的应用

太阳能清洁、无污染，而且取用方便。利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一。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，需要利用相变储能装置，在能量富裕时储能，在能量不足时释能。

（2）在工业余热方面的应用

在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部门都有大量的各式高温窑炉，它们的能耗非常之大，但热效率通常低于30％，节能的重点是回收烟气余热。传统的做法是利用耐火材料的热熔变化来储热，这种储热设备的体积大、储热效果不明显。如果改用相变储热系统，则储热设备体积可减小30％～50％，同时可节能15％～45％，还可以起到稳定运行的作用。

（3）在建筑节能方面的应用

有关资料显示，社会一次能源总消耗量的1／3用于建筑领域。提高建筑领域能源使用效率，降低建筑能耗，对于整个社会节约能源和保护环境都具有显著的经济效益和社会影响。利用相变储能建筑材料可有效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

（4）在其他方面的应用

相变储热材料有着优异的储能性能，如果这种性能能利用到电池当中去，就会引起电池的一场变革。现在用的电池不管是一次性电池还是可充式电池，都是利用化学反应来实行放电和充电的。化学电池中含有大量的重金属，电池废弃后如处理不当，会对环境人的身体健康造成很大的危害。相变材料大多为无机非金属材料制成，这类材料无害无毒非常适合用来制造绿色电池。

五、相变材料使用目前存在的问题

（1）耐久性

相变材料在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体的泄漏问题；相变材料对基体材料的作用问题。

（2）经济性

如果要最大化解决上述问题，将导致单位热能储存费用的上升，必将失去与其他储热法或普通建材竞争的优势。相变储能建筑材料经过20多年的发展，其智能化功能性的特点勿容置疑。随着人们对建筑节能的日益重视，环境保护意识的逐步增强，相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地，也会逐渐被人们所认知，具有非常广阔的应用前景。

六、结论

相变储热材料有着优异的储热性能，这一性能在能源的利用上有着广阔的前景。相变储热材料大多数为无机非金属材料，原料易得，易于制备，无污染，是一种良好的绿色资源。随着能源的短缺，各国都在努力提高资源利用率和寻找可再生的绿色能源。相变材料开始受到人们的重视，相变材料在太阳能，工业余热利用，绿色建筑，航天航空领域有着广泛的应用。随着对相变材料研究的深入，相变材料会应用在更多的领域。