相變儲能材料的分類及應(yīng)用探究

許卓新

（北京 100000）

隨著人類社會的發(fā)展，能源問題越來越重要。在各種提升能源效率的手段中，儲熱技術(shù)（thermal energystorage technology，TES）受到了人們的特別關(guān)注。儲熱技術(shù)分為潛熱、顯熱和化學(xué)反應(yīng)儲能三種類型。其中，潛熱儲熱技術(shù)因儲熱熱效率高、儲熱密度大等優(yōu)點(diǎn)更是得到了廣泛的關(guān)注，在相變材料領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。相變材料的特點(diǎn)是隨著溫度的改變會發(fā)生相變，并在這一過程中進(jìn)行熱量的吸收和釋放。相變材料現(xiàn)在被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廢熱回收、建筑節(jié)能、電力消峰填谷、太陽能利用、軍事工程、航空航天等領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)潛熱值更高的相變材料的同時，如何提高相變系統(tǒng)的效率也是要考慮的問題。

1 相變材料的分類

1.1 按相態(tài)變化分類

相變材料按照相變類型分類可以分為液—?dú)狻⒐獭獨(dú)?、固—液、固—固四種類型。其中，固—?dú)?、液—?dú)膺@兩種類型雖然可以儲存大量的熱，但卻因?yàn)樯婕暗綒獾漠a(chǎn)生，使整個反應(yīng)體系增大；并且因?yàn)闅怏w的生成導(dǎo)致密封條件大大增加，使設(shè)備更加復(fù)雜，使用起來極為困難。

固—液相變材料的優(yōu)點(diǎn)是相變溫度廣，容積儲熱密度大，相變的潛熱值大。但由于其相變過程中涉及液體，應(yīng)用時應(yīng)作密封處理，防止其泄漏，因而成本會大大增加。常見的固—液相變材料有無機(jī)水合鹽、熔融鹽及一些復(fù)合相變材料等。李鳳艷等在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用Na2SO4·10H2O，將其作為主要相變材料，并使用適量的增稠劑羧甲基纖維素鈉(CMC)，其相變溫度低，儲熱值較高，具有良好的穩(wěn)定性。固—固相變材料中無液體和氣體產(chǎn)生，故密封要求相比其余三種相對較低；且固—固相變材料反應(yīng)體積小，儲能密度大，因而在相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域中的是主要研究對象。但因?yàn)槠涑杀靖?、傳熱能力差、不穩(wěn)定、有潛在的毒性和可燃性，故其應(yīng)用范圍不及固—液相變材料廣泛。但固—固相變材料研究時間較短，因而仍有很大的研究價值。

1.2 按組成成分分類

按組成成分劃分，相變材料可以分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三大類。有機(jī)相變材料跟無機(jī)相變材料相比無過冷現(xiàn)象，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且與其它材料的相容性很好。但是其易燃，毒性較強(qiáng)，同時導(dǎo)熱系數(shù)低；而無機(jī)相變材料制備成本低，同時有較大的儲能密度，相變過程體積變化小（存在氣體的情況除外）。其缺點(diǎn)除存在過冷現(xiàn)象，還具有一定的腐蝕性；復(fù)合相變材料是兩種或兩種以上的相變材料的復(fù)合，由兩種或者兩種以上的材料構(gòu)成。復(fù)合相變材料與傳統(tǒng)相變材料相比，具有明顯的熔點(diǎn)，儲能密度高，但因其為混合體系或低共熔體系，故缺少熱物性參數(shù)。

2 相變材料的應(yīng)用

相變儲能材料在許多領(lǐng)域內(nèi)有著重要的應(yīng)用，如建筑領(lǐng)域，太陽能領(lǐng)域等。相變儲能材料在具體應(yīng)用時主要是用到潛熱儲熱技術(shù)，但在具體應(yīng)用中需要封裝技術(shù)。因?yàn)橄嘧儾牧显谑褂脮r為了更好的發(fā)揮導(dǎo)熱作用，需要將其滲入多孔基質(zhì)，此時必須通過封裝技術(shù)使得基體密封，以防止相變材料泄漏。

2.1 相變材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

建筑材料耗能很高，因此建筑節(jié)能成為了人們研究的重點(diǎn)，將相變儲能材料運(yùn)用于建筑供暖，制冷等領(lǐng)域逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。

由相變材料制成的天花板和地板，在建筑行業(yè)有很大的發(fā)展?jié)摿?。這種采暖方式的優(yōu)點(diǎn)在于室內(nèi)地板和天花板的面積較大，熱量分布散發(fā)，使溫度均勻分布。儲能地板和天花板由相變材料制成，使地板和天花板的表面溫度波動相對較小，從而大大簡化了溫度控制系統(tǒng)。

相變材料在供電系統(tǒng)中可以解決電能在時間和空間上的分布不均勻。由于相變儲能材料的儲熱密度和潛熱值很大，可以有效的提升電能的利用；相變材料還可用于空調(diào)系統(tǒng)，提高制冷機(jī)組的效率，下文中會具體提及。將相變材料運(yùn)用于建筑領(lǐng)域，雖然可以降低維護(hù)成本，但成本高是阻礙其發(fā)展的原因。

2.2 相變材料在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，能源的地位變得越來越重要。太陽能具有清潔、無污染、可以長久開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是照射到地球的能量密度低，受到天氣、地理、季節(jié)等諸多因素影響，導(dǎo)致其具有非連續(xù)性和不穩(wěn)定性。這些缺點(diǎn)是制約太陽能發(fā)展的主要問題。將相變材料運(yùn)用于太陽能領(lǐng)域，具體實(shí)現(xiàn)方式是當(dāng)太陽能充足的時候，多余的能量可以儲存在相變儲能裝置中。當(dāng)太陽能不足時，再將其釋放出來，便于能量連續(xù)穩(wěn)定地供給于生產(chǎn)生活。

2.3 相變材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

太空中的環(huán)境極端惡劣，需要對航天員和航天器材進(jìn)行十分嚴(yán)格的保護(hù)。一般的材料無法承受，而相變材料可以克服這些困難。具體原理是：相變材料可以將設(shè)備與外界相隔，作為設(shè)備與外界的保護(hù)層。當(dāng)外部溫度上升到相變材料的熔點(diǎn)時，相變材料熔化并吸收與熔化潛熱相當(dāng)?shù)臒崃?；?dāng)外部溫度因內(nèi)部或外部原因而下降時，相變材料恢復(fù)到基態(tài)，并放出熱量，從而保持內(nèi)部設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 相變材料在制冷設(shè)備中的應(yīng)用

傳統(tǒng)制冷設(shè)備一般采用壓縮機(jī)制冷技術(shù)，如空調(diào)、冰箱、冷庫。不僅耗電、效率低、而且制冷液泄露會污染環(huán)境。蒸汽壓縮式制冷主要基于液體蒸發(fā)吸熱這一理論，將相變材料應(yīng)用于蒸汽壓縮制冷中的制冷液，能明顯減小冷凍空間內(nèi)的溫度波動，延長制冷時間，大幅度提高制冷效率。適當(dāng)?shù)南嘧儾牧线€可以防止環(huán)境的污染。半導(dǎo)體制冷是一種基于溫差電現(xiàn)象和帕爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)的制冷方法。雖然關(guān)于人們對這種制冷方法已經(jīng)研究了好多年，但依然存在半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)溫度波動大這個問題。相變材料可利用相變潛熱儲能，減小冷凍空間內(nèi)的溫度波動，從而解決這個問題。

3 結(jié)語

相變儲能技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高潛熱值，高儲能密等度使其成為現(xiàn)代材料學(xué)發(fā)展的重要方向和能源領(lǐng)域提高能源利用效率的有效手段之一。但相變材料也存在一些缺點(diǎn)，比如成本高、制備方法復(fù)雜、原料難以獲得，可逆性和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提升，相變潛熱還需提升。相變儲能體系中不單單只有相變材料，其整個裝置也起到關(guān)鍵的作用。相變儲能裝置目前最大的問題是體積過大、效率過低和封裝技術(shù)的不完善。未來，新型相變材料的發(fā)展需要向著高潛熱，高儲熱密度的固—固型低溫相變儲能材料進(jìn)行發(fā)展；同時，相變裝置應(yīng)向著小體積高效率的方向發(fā)展，針對相變儲熱建立數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值找出對儲能裝置的優(yōu)化處理，提升封裝技術(shù)，如用氣凝膠作為裝置夾層。氣凝膠的導(dǎo)熱率可達(dá)0．02W/m·K，可很好地降低儲能裝置中的能量損失。