相变储能材料

上海大学2011-2012学年秋季学期研究生课程考试

小论文

课程名称：先进功能材料课程编号： 102004812

论文题目:相变储能材料综述

研究生姓名: 魏敏学号: ******** 论文评语:

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评阅日期:

相变储能材料综述

魏敏

上海大学材料科学与工程学院

摘要:相变储能材料就是将暂时不用的能量储存起来，到需要时再释放，从而缓解能量需求的矛盾，节约能源。本文概述了相变储能的原理、种类和特点、制备方法、性能要求以及在建筑中应用，并指出当前应用相变储能材料存在的问题以及新的发展方向。

关键词：相变材料；储能；建筑；节能；

一．引言

近年来，当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题。开发利用可再生能源对节能和环保具有重要的现实意义。开发新能源提高能源利用率已成为工业发展的重要课题。因此，相变储能材料（phase change material）成为国内外能源利用和材料科学方面的研究热点。相变储能技术可以解决能量供求在时间和空间上不匹配矛盾，也就是可以在能量多时可以储能，在需要时释放出来，从而提高能源利用率。一些发达国家在推广应用相对比较成熟的储能技术和储能材料，以期待不断提高技术性、经济性和可靠性。我国也在这方面进行了积极的研究[1-3]。

相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境中吸收热（冷）量或向环境放出热（冷）量，从而达到能量储存和释放的目的。利用此特性不仅可以制造出各种提高能源利用率的设施，同时由于其相变温度近似恒定，可以用来调整控制周围环境的温度，并且可以多次重复使用。

作为为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[1]。

二．相变储能材料介绍

相变储能原理

储能机理：（1）利用材料的比热容或者材料温度的变化

（2）利用材料物态的转变（相变热）

相变储能材料的分类

相变储能材料的种类繁多，根据不同划分方法可以分成不同的类别。根据相变过程一般可分为：固-固相变、固-液相变、固-气相变和液-气相变。根据化学成分通常分为：有机类和无机类。根据相变温度通常分为：低温、中温和高温相变储能材料[1-3]。

（1）无机相变材料

无机相变材料种类繁多，主要有结晶水和盐、熔融盐、金属及合金类等。这类相变材料属于中低温相变材料，使用的较多的是结晶水和盐类，这类材料的优点是：熔解热大、导热系数高，相变体积小，价格便宜等，其缺点是：过冷度大、易产生相分离和老化变质等不利影响，通过加入成核剂和增稠剂可以有效的解决过冷和相分离现象。

（2）有机储能材料

常用的有机相变材料有：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、C n H2n+2，C n H2n02、C10 H8、PE、PEG、PMA、PA等。目前用的最多的有机储能材料是石蜡。这类储能材料的优点是：固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定。缺点是：导热系数小、密度小、易挥发、易燃和相变时体积变化大等。可以加入铝粉、铜粉等导热系数高的金属粉末可以解决导热系数小的缺点。

典型的无机相变材料和有机相变材料

三. 相变材料制备方法

1．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, Indaba H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[4]。

2．吸附法

石膏、水泥、混凝土等建筑材料内含大量微孔，常作为相变材料的载体材料。以多孔材料为基体制备PCM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。

3. 压制烧结法

这种方法首先将载体基质和相变材料球磨成直径小于几十微米的粉末，然后加入添加剂压制成型，最后在电阻炉中烧结。这种方法通常用于制备用于高温的相变储能材料, 例如:张仁元、Randy 、张兴雪等人利用此方法成功地制备出Na2CO3-BaCO3/MgO,Na2SO4/SiO2以及NaNO3-NaNO2/MgO 无机盐/ 陶瓷基复合储热材料。这种材料应用于高温工业炉，既能起到节能降耗得作用，又能减少蓄热室的体积，有利于设备的微型化。

除了上述制备方法外，还有界面聚合法、喷雾干燥法、电镀法和溶胶凝胶等新型方法[4,5]。四．相变材料在建筑节能中的应用

相变储能建筑材料应用于建材始于1981年，由美国能源部太阳能公司发起，1988年由美国能量储存分配办公室推动此研究。20世纪90年代以PCM处理建筑材料（如石膏板、墙板和混凝土构件等）的技术发展起来了。目前已开发的出各式的相变材料用于混凝土、天花板、墙体、窗户和地板中，利用太阳能蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内温度波动，提高舒适性，节约能耗[6,7,8]。

太阳能+相变材料地板采暖原理图：

安装在屋顶的太阳能热水器通过水泵经导管将热水输送到地板的相变材料储热器中将热能存储起来，当温度在在21.C 之下之上(70.F)波动时，地板下面的相变材料储热器吸收或释放热能量。并在需要时释放为室内采暖。太阳能相变材料储热器可使室温在整个冬季保持在21.C (70.F)的范围，完全不受气候的影响。

相变墙体

相变墙体[8]是美国20世纪80年代中期开始研究的一种建筑围护结构，是含有相变材料的墙体。PCM墙板的蓄热能力使其能够在采暖或空调关闭之后相当长一段时间，将房间温度保持在人体感觉舒适温度范围内，还可以在较短时间内快速储存和释放大量的热量。

图2相变材料胶囊的剖面图图3具有相变天花板的夜间供暖系统相变天花板