相变储能材料的分类和选择

实际很少利用 相变过程中气体所占体积太大
2.3 相变储能材料的定义及评价标准
1. 定义
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（Phase change materials, 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”
2.4.1 固－液相变材料
常用的结晶水合盐
Na2SO4·10H2O (芒硝）（Glauber’s salt) MgCl2⋅6H2O CaCl2⋅6H2O
2.4.1 固－液相变材料
结晶水合盐的特点
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
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
显热储能
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。
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。
平均热容： C Q T2 T1
酯酸类
其它有机类
混合类 有机类与无机类相变材料的混合
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：
AB·mH2O
加热（T>Tm) 冷却（T<Tm)
AB + mH2O
加热（T>Tm)
AB·mH2O 冷却（T<Tm) AB·pH2O + (m-p)H2O
解决办法：
①加增稠剂，可防止混合物中成分的分离 ②加晶体结构改变剂 ③盛装相变材料的容器采用薄层结构 ④摇晃或搅动。
2.4.1 固－液相变材料
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
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℃
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）。
2.4.1 固－液相变材料
存在问题： （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
2.3 相变储能材料的定义及评价标准
2. 评价标准
（3） 化学标准
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。
（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。
产生原因：水合盐结晶时成核性能差
解决办法： ① 加成核剂（如：芒硝，成核剂为硼砂） ② 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。
2.4.1 固－液相变材料
存在问题：
（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
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
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
（2） 动力学标准
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(Nucleation rate)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”(Cold finger)来抑制过冷 现象。
水在1个大气压力下，从20 ℃加热到40 ℃， 温差为20 ℃的显热仅为84 kJ/kg
2.2 储能材料的相变形式
（1）Solid
Solid
融化或熔化
（2）Solid
Liquid
凝固或固化
可行的相变储能方式 材料的体积变化小
（3）Liquid 汽化或蒸发 Gas
液化或凝结
（4）Solid 升华 Gas 凝华
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。
潜热储能的优点
比显热储能高得多的储能密度。
如：水 水在大气压力下，水沸腾其潜热约为2260 kJ/kg， 冰融化其潜热为355 kJ/kg.
2.4 相Байду номын сангаас储能材料的分类
按照相变温度的范围
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）
2.4 相变储能材料的分类
按照材料的组成成分 无机类
相变材料
有机类
结晶水合盐（如Na2SO4·10H2O) 熔融盐 其它无机类相变材料（如水）
金属（包括合金） 石蜡类