相变储能材料现状和应用

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l％的相变材料可以进行进一步研究。

2．1 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：

(1)合适的相变温度；

(2)较大的相变潜热；

(3)合适的导热性能；

(4)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；

(5)不发生过冷现象(或过冷很小)，性能稳定；

(6)无毒，对人体无腐蚀；

(7)与容器材料相容，即不腐蚀容器；

(8)不易燃；

(9)较快的结晶速度和晶体生长速度；

(10)低蒸汽压；

(11)体积膨胀率较小；

(12)原材料易购，价格便宜。

2．2 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 COONa·2H2O、CH3COOLi·2H2O等；硝酸盐类有Mg(NO3)2·6H2O、Mg(NO3)2·4H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)·6H2O、Zn(NO3) · H2O等；硫酸盐类有Na2SO4·10H2O、FeSO4·7H2O等；磷酸盐类有Na2HPO4·12H2O、K3PO4·7H2O、Na3PO4·H2O等；碳酸盐类有Na2CO3·12H2O等；卤化物类有CaC·6H2O、KF·4H2O等。

表1 相变材料的分类

根据相变温度的不同，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250℃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100～250℃，低温材料为100℃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335J/g的潜热，当水进一步加热，每升高1℃，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1℃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。

3．1 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，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CaC2·6H2O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Na2SO4·10H2O作相变材料来储存太阳能，也都是应用较成功的实例。

3．2 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，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