無機相變儲能材料的研究進展及應(yīng)用

劉良珍

德化陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院陶瓷工程系 德化362500

無機相變儲能材料的研究進展及應(yīng)用

劉良珍

德化陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院陶瓷工程系 德化362500

闡述了無機相變儲能材料當(dāng)前的研究進展情況，介紹了無機相變材料的儲能機理，制備方法。討論了無機相變儲能材料多種領(lǐng)域的應(yīng)用以及它未來的發(fā)展方向。

無機相變材料；儲能；潛熱

隨著礦物能源的枯竭性危機和環(huán)境污染問題的出現(xiàn)，人們越來越意識到如何提高能源使用效率和開發(fā)可再生能源的重要性。利用無機相變材料的相變潛熱實現(xiàn)能量的儲存和利用，有助于提高能效和開發(fā)再生能源。在相變過程中，相變儲能材料與環(huán)境進行能量交換，從而達到控制環(huán)境溫度和能量目的。由于有機相變儲能材料使用溫度范圍比較窄，而無機相變儲能材料其使用溫度范圍寬，同時它還具有具有儲能密度高、體積小巧、溫度控制恒定、節(jié)能效果顯著、易于控制等優(yōu)點，因此它在各個領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的前景。

1、無機相變儲能材料的蓄熱機理

無機相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固－液相變?yōu)槔诩訜岬饺刍瘻囟葧r，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。為了更好的應(yīng)用和改善無機相變儲能材料的性能常利用一些方法進行測試和改進。主要用實驗研究。例如：差示掃描量熱計（DSC）測試無機儲能材料的相變溫度、潛熱等參數(shù)。

2、相變材料的選擇

選擇合適的相變材料至關(guān)重要，應(yīng)具有以下幾個特點：（1）熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；（2）相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；（3）有合適的相變溫度，能滿足需要控制的特定溫度；（4）導(dǎo)熱系數(shù)大，密度大，比熱容大；（5）相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，制造方便。在實際研制過程中，要找到滿足這些理想條件的相變材料非常困難。因此，人們往往先考慮有合適的相變溫度和有較大相變潛熱的相變材料，而后再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。

3、無機相變儲能材料的制備技術(shù)

相變儲能材料種類繁多，而無機相變儲能材料作為其中1個分支，近年來研究比較活躍。就目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，主要制備工藝有：混合燒結(jié)法和熔融浸滲法

3.1 混合燒結(jié)法

通過在基體材料中混合一定比例的無機鹽(即相變材料)和添加劑，然后經(jīng)過成型、高溫?zé)Y(jié)，相變材料保持在基體中而占有一定的空間,使得基體燒結(jié)成具有網(wǎng)絡(luò)多孔狀結(jié)構(gòu)。工藝過程：備料、粉粹、混合、成型、干燥、燒結(jié)。優(yōu)點：制備工藝簡單；能按比例配備無機鹽與基體材料；適合高熔點無機鹽。缺點：熔融鹽流失和蒸發(fā)嚴(yán)重；機械強度低，特別是大尺寸制品。該工藝適用于半工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2 熔融浸滲法

該工藝先按要求制備出有連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔基體材料，再將無機鹽熔化滲入基體中，也稱二級制造法。工藝過程：備料、多孔基體材料的制備、熔融無機鹽浸漬。優(yōu)點：能避免熔融無機鹽在高溫?zé)Y(jié)時的流失和蒸發(fā)；制品保形性好，尺寸可精控；有較好的綜合力學(xué)性能。缺點：工藝較復(fù)雜，成本高；無機鹽含量有限。

4、無機相變儲能材料的應(yīng)用

4.1 無機相變儲能材料在建筑材料中的應(yīng)用

無機相變儲能材料應(yīng)用到建筑材料中，兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點，能夠吸收和釋放適量的熱能；能夠和其他傳統(tǒng)建筑材料同時使用；不需要特殊的知識和技能來安裝使用蓄熱建筑材料；能夠用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)；在經(jīng)濟效益上具有競爭性。20世紀(jì)90年代以無機相變儲能材料（PCM）處理建筑材料(如石膏板、墻板與混凝土構(gòu)件等)的技術(shù)發(fā)展起來了。隨后，PCM在混凝土試塊、石膏墻板等建筑材料中的研究和應(yīng)用一直方興未艾。歐美有多家公司利用PCM生產(chǎn)銷售室外通訊接線設(shè)備和電力變壓設(shè)備的專用小屋，可在冬夏天均保持在適宜的工作溫度。此外，含有PCM的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁、飛機跑道等在冬季深夜結(jié)冰。隨著人們對建筑節(jié)能的日益重視，環(huán)境保護意識的逐步增強，相變儲能建筑材料必將在今后的建材領(lǐng)域大有用武之地，也會逐漸被人們所認知，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 無機相變儲能材料在通信方面的應(yīng)用

隨著人們環(huán)境意識的增強，越來越強調(diào)節(jié)能減排，無機相變儲能材料具有無毒、無污染、零能耗、阻燃、可再生、使用壽年長等優(yōu)點，正符合時代的要求。其中一個典型的例子就是北京中瑞森公司應(yīng)用了無機相變儲能材料的智能恒溫蓄電池柜已通過工信部電源檢測中心和工信部材料測試中心查測，各項指標(biāo)全部達標(biāo)。國內(nèi)三大電信運營商已將該產(chǎn)品投入實際應(yīng)用，并在實際使用中驗證了該產(chǎn)品在高溫、斷電環(huán)境下，保溫性能高達14小時的產(chǎn)品特性，極大程度地解決了目前困擾電信運營商的電池使用壽命過短，通信站點能耗過高的問題。從而大幅降低蓄電池采購費用及通信站點的能耗、進一步提高站點安全可靠性。為運營商降低OPEX，提高核心競爭力和盈利能力，提供了一個有效選擇。

4.3 無機相變儲能材料在工業(yè)余熱中的應(yīng)用

無機相變儲能材料由于使用溫度很高，最高可達到1400℃，正符合工業(yè)余熱。它可用于替代傳統(tǒng)蓄熱器和熱風(fēng)爐的耐火磚，使其蓄熱量比耐火磚大2～2.5倍，并且大大地降低了造價。如用于熱風(fēng)爐，將使其體積減少35%，造價降低11%。

無機相變儲能材料不僅在以上方面的應(yīng)用，在其他方面也具有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事裝備、民用產(chǎn)品、光能利用等領(lǐng)域。目前國內(nèi)已有很多企業(yè)在研究無機相變儲能材料的技術(shù)，并已得到應(yīng)用，例如冷藏車保溫倉、太陽能路燈、風(fēng)能發(fā)電機組，建筑保溫，農(nóng)業(yè)溫室大棚等。

5、無機相變儲能材料的發(fā)展方向

從無機相變材料的研究狀況和特點來看，它具有很大的優(yōu)越性，是今后儲能材料發(fā)展的主要方向。近年來，美、日、德等國也發(fā)表了許多相關(guān)的理論研究，大體的來說研究的方向主要有如下的一些方面：一、研制出一系列相變溫度范圍的固-固相變材料；二、如何改善相變材料的導(dǎo)熱性能和相變速率；三、如何根據(jù)相變機理提高其相變焓，研制出高能量密度的相變材料；四、掌握相變材料之間的復(fù)合原則以及如何來提高材料的性能以彌補不足；五、開發(fā)出除具有相變儲能功能外還具有其它功能的多功能相變材料，如導(dǎo)電相變材料、可微波加熱的相變材料、防水相變材料、可殺菌防蟲蛀的相變材料、形狀記憶相變材料等等；六、降低成本，實現(xiàn)工業(yè)化。

不論開發(fā)出何種相變材料，都必須具備如下的一般要求：一、合適的相變溫度，因為相變溫度正是所需要控制的特定溫度；二、較大的相變潛熱；三、相變的可逆性要好，過冷度應(yīng)盡量??；四、性能穩(wěn)定，可反復(fù)使用而不發(fā)生熔析和副反應(yīng)；五、導(dǎo)熱性好，相變速度快；六、材料的體積能量密度大；七、體積膨脹率要小；八、蒸氣壓要低，使之不易揮發(fā)損失；九、符合綠色化學(xué)要求：無毒、無腐蝕、無污染；十、使用安全，不易燃、易爆或氧化變質(zhì)；十一、成本低廉，制備方便。

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