利用相变储能材料的热能储存技术及其应用

利用相变储能材料的热能储存技术及其应用

摘要: 由于相变储能材料具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点, 因此, 采用相变储能材料的热能储存技术是提高热能转化和回收利用效率的重要途径, 也是储存可再生能源的有效方式之一。鉴于可供选用的相变储能材料种类多、相变温度范围大, 使其在许多工程应用中具有较大的吸引力, 简要介绍了利用相变储能材料的热能储存技术及其在工程中的多种应用。

关键词: 相变储能材料; 热能储存技术; 工程应用

Applications of thermal energy storage techniques

with phase change storage materials

Abstract: Thermal energy storage technique with phase change storage materials is an important approach of enhancing the efficiency of thermal energy translation and recovery utilization, and one of the efficient ways of storing reproducible energy because of their characteristics such as higher energy storage capacity, isothermal energy storage or discharge and easier operation control. T here are many kinds o f phase chang e storage materials that melt and solidify at a w ide rang e of temperatures, which makes them attractive in a lot of engineering applications. T his article present s an overview of thermal energy storage techniques and their applications in engineering. Key words: phase change storage materials; thermal energy storage technique; engineering application

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。

在中国建筑能耗的比例正在逐年增加，国外已达到40%以上，我国也达到30%左右，而且还有逐年增加的趋势，这也就为建筑节能留出了很大的空间。建筑节能已成为继交通节能、工业节能之后的第三大领域。按照新节能法的要求，我国的建筑节能指标从50%提高到65%，并要兼顾冬季供暖与夏季空调的能源平衡。在众多的节能方法中，近年来新出现的相变储能材料，逐渐成为建筑节能的新宠。相变储能建筑材料可用普通建材的通用设备进行加工，使其兼备普通建材和相变储能材料两者的特点，在施工过程中能够和其他传统建筑材料同时施工，不需要特殊的知识和技能来安装使用相变储能建筑材料；在使

用过程中，不需要消耗现有的能源，在经济效益上具有竞争性。但相变储能节能技术还是一项新的节能技术，在国外也只处于中试用阶段，我国还只处于研究开发和小试阶段，离全面推广应用还有一段路要走。

二．相变储能材料介绍

相变储能原理

相变储能材料的英文全称为Phase ChangeMaterials，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物质。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。

由于相变储能材料具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能，因而通过恰当的设计将相变材料引入建筑材料中，可以使室外温度和热流波动的影响被削弱，把室内温度控制在舒适的范围内。利用此特性，相变储能材料可被用于储存能量或控制环境温度目的，在建筑节能等许多领域具有应用价值。相变储能材料是继纳米材料后，又一次材料界的革命，该技术对建筑节能、解决能源紧张有着重要的应用价值。使用相变材料还有以下优点：其一，相变过程一般是等温或近似等温的过程，这种特性有利于把

温度变化维持在较小的范围内，使人体感到舒适；其二，相变材料有很高的相变潜热，少量的材料可以储存大量的热量，与显热储热材料(如混凝土、砖等)相比，可以大大降低对建筑物结构的要求，从而使建筑物采用更加灵活的结构形式。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）无机相变储能材料

1、固- 液无机盐高温相变储能材料

固- 液相变材料是指在温度高于相变点时, 物相由固相变为液相吸收热量, 当温度下降时物相又由液相变为固相放出热量的一类相变材料。目前,固- 液无机盐高温相变材料主要为高温熔融盐、部分碱、混合盐。高温熔融盐主要有氟化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐等。它们具有较高的相变温度, 从几百摄氏度至几千摄氏度, 因而相变潜热较大。例如LHi 相对分子质量小而熔化热大( 2 840 J/g)。不过此类盐存在价格昂贵、对设备要求高的缺点, 一般只用于航天航空等特殊场合。碱的比热容高, 熔化热大, 稳定性好。碱在高温下蒸汽压力很低, 且价格便宜, 也是一种较好的中高温储能物质。例如N aOH在287 e 和318 e 均有相变, 比潜热达330 J/g, 在美国和日本已试用于采暖和制冷方面。混合盐熔化

热大, 熔化时体积变化小, 传热较好。混合盐的最大优点是熔融温度可调, 可以根据需要把不同的盐配制成相变温度从几百摄氏度至上千摄氏度的储能材

料。表1列出了部分无机盐高温相变储能材料料热物性值[ 1- 2]