相變材料的研究進展及應(yīng)用

王迎斌,張海峰,賀行洋,肖虎成

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,武漢430068)

隨著人口劇增和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類社會對能源的需求日益增大和傳統(tǒng)化石能源的枯竭,能源危機日趨嚴(yán)重。解決能源危機的途徑主要有開發(fā)可再生新能源和提高能源利用率兩大類?？稍偕履茉粗饕ㄌ柲堋L(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒊毕艿?。但是可再生新能源存在分布不均勻、地區(qū)差異大、開發(fā)成本高等缺陷,限制了進一步的開發(fā)與利用,因此提高能源利用率顯得尤為重要。相變材料(Phase Change Materials)又稱相變儲能材料,自身不產(chǎn)生任何形式的能量,通過相態(tài)變化實現(xiàn)外界環(huán)境中多余熱量的存儲與釋放[1],為提高能源利用率提供了新途徑。

1 相變材料的分類

相變材料的分類有三種,第一種按相變形式劃分,分為固-固、固-液、固-氣、液-氣相變材料。固-氣、液-氣相變材料由于相變前后體積變化較大,需要特定的容器進行封裝,同時易發(fā)生氣體泄漏等現(xiàn)象,因此實際應(yīng)用較少。而固-固、固-液相變材料在相變過程中體積變化較小,因此成為了研究的熱點。第二種按相變溫度進行分類,可分為低溫相變材料(＜20 ℃)；中溫相變材料(20～250 ℃)；高溫相變材料(＞250 ℃)。第三種按照材料的化學(xué)組成可分為無機相變材料、有機相變材料、復(fù)合相變材料三大類。

1.1 無機相變材料

無機相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等。由于結(jié)晶水合鹽類相變材料的高相變潛熱、高導(dǎo)熱系數(shù)、儲能密度大、化學(xué)性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點[2],因此在工業(yè)廢熱余熱回收、保溫節(jié)能建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但存在過冷、相分離、相變循環(huán)穩(wěn)定性差等缺陷。目前對水合鹽類相變材料的研究主要集中在降低過冷度、解決相分離、相變循環(huán)穩(wěn)定性、改變相變溫度等方面。

喬英均等[3]以羧甲基纖維素(CMC)為增稠劑,Na2CO3·10H2O 為成核劑,制備了Na2S2O3·5H2OCH3COONa·3 H2O 相變材料,其過冷度減小到4.9 ℃,經(jīng)歷50次熔化-凝固循環(huán)后,其穩(wěn)定性良好。徐玲玲等[4]以20%Na2HPO4·12H2O+80%Na2SO4·10H2O 制備了低共熔相變材料,相變溫度為28～29 ℃,基本上消除了過冷和分層現(xiàn)象。

1.2 有機相變材料

有機相變材料可分為石蠟類和非石蠟類。非石蠟類有機相變材料主要包括脂肪酸、多元醇、酯和某些聚合物等。石蠟類有機相變材料的優(yōu)點:相變潛熱高、無過冷和相分離現(xiàn)象、化學(xué)性能穩(wěn)定、無腐蝕性等,但存在導(dǎo)熱系數(shù)低、相變前后體積變化明顯等缺陷。為了改善石蠟類相變材料的導(dǎo)熱性能?？刹捎贸崞Y(jié)構(gòu)、組合和復(fù)合相變材料、微膠囊封裝等方法。海彬等[5]以石蠟為芯材,殼聚糖和阿拉伯膠為壁材,發(fā)現(xiàn)當(dāng)p H=4.5時,芯殼比為1.5∶1,交聯(lián)劑劑量為2 m L,制備的相變儲能膠囊的包覆率和包覆效率最佳,分別為52.84%和56.27%。徐永峰等[6]通過將低熔點、高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬鈉和石蠟復(fù)合制備了新型復(fù)合相變材料,實驗發(fā)現(xiàn)5%Na+95%Paraffin相變儲能材料的導(dǎo)熱系數(shù)較純石蠟增加17.6倍,儲熱和放熱速率對比純石蠟增大了一倍。200次相變循環(huán),3%Na+97%Paraffin復(fù)合相變材料的相變潛熱和相變溫度的變化幅度僅為3.7%和1.5%,熱學(xué)穩(wěn)定性良好。

1.3 復(fù)合相變材料

復(fù)合相變材料可以克服單一無機和有機相變材料的缺陷,因此在建筑節(jié)能、太陽能、農(nóng)業(yè)、航天、物流運輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。復(fù)合相變材料的主要制備方法有溶膠凝膠法、熔融浸漬法、多孔基吸附法、界面聚合法、原位聚合法、高分子聚合法等。程璐璐等[7]以氨基樹脂為壁材,相變蠟、十二醇和正十八烷作為相變芯材,通過原位聚合法制備了微膠囊相變材料,結(jié)果表明:乳化劑用量為8%,十二醇-氨基樹脂微膠囊的相變潛熱為61.3 J/g,相變溫度為23.09 ℃,在200 ℃高溫時,微膠囊熱穩(wěn)定性仍然較好。王迎輝等[8]以肉豆蔻酸(MA)和正辛酸(OA)為基液,采用多孔材料膨脹石墨(EG),制備了一種可以應(yīng)用于醫(yī)藥冷藏運輸系統(tǒng)的復(fù)合相變材料,相變溫度僅為6.8 ℃,相變潛熱高達136.3 J/g,100次蓄放冷循環(huán)后,MA-OA/EG復(fù)合相變材料的相變潛熱、相變溫度變化幅度均較小。

2 相變材料的應(yīng)用

2.1 在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

受能源危機、節(jié)能環(huán)保的影響,相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域受到了研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注。相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于墻體、混凝土和儲能地板等。聶志遠等[9]以月桂酸為相變材料,膨脹石墨為相變載體,制備了月桂酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料。將復(fù)合相變材料摻入到混凝土中制備得到相變混凝土。研究發(fā)現(xiàn):在保證混凝土力學(xué)性能的前提下,月桂酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料的摻加顯著提高了混凝土的導(dǎo)熱性能。馮國會等[10]以葵酸為相變材料、太陽能熱水為熱源,設(shè)計了一整套相變儲能地板熱水采暖系統(tǒng)。在系統(tǒng)正常運作時,室內(nèi)溫度基本上都會高于相變儲能地板熱水采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度設(shè)計值15 ℃,蓄放熱性能良好,能夠滿足非連續(xù)能源采暖的需求。

2.2 在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用

太陽能是一種無污染、節(jié)能環(huán)保的可再生能源,但容易受到晝夜、季節(jié)、地理條件等的限制,從而制約了太陽能的進一步利用。利用相變材料蓄熱儲能的特性,可以很好的克服太陽能不穩(wěn)定和間歇性的缺陷。相變材料在太陽能發(fā)電、太陽能采暖系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)等有著廣泛地應(yīng)用。雷永康等[11]以石蠟為相變蓄熱材料、制備了一種用于散熱器供暖系統(tǒng)的石蠟-膨脹石墨復(fù)合相變材料,發(fā)現(xiàn)3.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨使得復(fù)合相變材料蓄放熱時間縮短了一半。闞榮強等[12]設(shè)計了一套適用于高原地區(qū)的蓄熱采暖系統(tǒng),以相變蓄熱板為蓄熱載體,測試發(fā)現(xiàn)相變房間的夜間溫度較普通房間高出2～3 ℃。

2.3 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

相變材料在農(nóng)業(yè)上最典型的應(yīng)用就是溫室。楊小龍等[13]以十二水磷酸氫二鈉為相變材料,制備了一種用于溫室的相變墻板。研究發(fā)現(xiàn):相變墻板在晴天時的最高溫度較對照組低2.7 ℃、最低氣溫高1.5 ℃,平均溫度高1.2 ℃。陳超等[14]以石墨、石蠟、高密度聚乙烯為基材,將制備的復(fù)合相變蓄熱材料應(yīng)用于溫室大棚北墻內(nèi)表面,相較普通溫室大棚,相變溫室大棚白天的空氣溫度低2 ℃左右,夜間相變溫室大棚的空氣溫度高出約6 ℃,實現(xiàn)了太陽能時間轉(zhuǎn)移,夜間利用的目的。

3 結(jié) 論

當(dāng)前相變儲能材料在建筑節(jié)能、太陽能、農(nóng)業(yè)、航天、物流運輸、移動通信等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景,但是絕大多數(shù)研究都集中在實驗室和數(shù)值模擬,距離大規(guī)模的工業(yè)化還有很長的一段路要走。目前相變材料存在的主要問題有耐久性、經(jīng)濟性、功能性等。耐久性的問題表現(xiàn)為多次循環(huán)后相變材料熱物性能的退化；經(jīng)濟性的問題是相變材料的生產(chǎn)成本過高；功能性的問題是相變材料功能單一。而復(fù)合相變材料融合了無機和有機相變材料的優(yōu)點,因此復(fù)合相變材料是未來研究的重點方向。未來相變材料的研究可以從以下幾點展開。

a.深入探究相變材料熱物性能退化的機理,開發(fā)出高相變潛熱、高導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度合適、熱物性能穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。

b.進一步尋找低碳環(huán)保、原料易得、儲量豐富、價格低廉的相變材料,簡化制備工藝和生產(chǎn)流程。進一步降低復(fù)合相變材料的生產(chǎn)成本,拓寬復(fù)合相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

c.拓寬復(fù)合相變材料的功能,如在建筑領(lǐng)域可進一步開發(fā)防水、保溫、調(diào)濕等多功能復(fù)合相變材料,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化。在物流運輸領(lǐng)域可發(fā)展多溫協(xié)同配送技術(shù),實現(xiàn)不同溫度產(chǎn)品的同時配送。