相變儲能材料的研究與應(yīng)用

張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南洛陽 471023

如今能源危機(jī)成為世界性問題，減少能源消耗提高能源利用率是人們研究的重點問題。尤其是建筑行業(yè)，人們積極尋求新型的建筑材料以減少能源消耗，使室內(nèi)環(huán)境更加舒適。相變儲能材料能夠在特定條件下儲存能量，并進(jìn)行釋放，使能源消耗得到減少，減少室內(nèi)溫度的波動，對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，成為未來建筑行業(yè)發(fā)展的新型材料。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。

1 相變材料簡介

相變材料(PCM)或相變儲能材料是指隨著外界給與的溫度的變化、其自身狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化、在自身狀態(tài)發(fā)生變化的同時會釋放或者吸收能量的一種材料。

廣義的相變儲能材料定義是指能被利用其物態(tài)變化時吸收(釋放)的大量熱能而用于能量儲存的材料；狹義來說，則主要指那些儲能密度高、性能穩(wěn)定、相變溫度合適和性價比優(yōu)良，能夠被用于儲能的材料。具體相變過程是：當(dāng)環(huán)境溫度高于相變溫度時，材料吸收并儲存熱量，以降低環(huán)境溫度；當(dāng)環(huán)境溫度低于相變溫度時，材料釋放儲存的熱量，以提高環(huán)境溫度[1-2]。

1.1 分類

建筑中常見的相變材料類型：

1)按貯能的方式的不同，有化學(xué)反應(yīng)儲能、潛熱儲能和顯熱儲能。

2)按所貯存能量的特點，有儲冷材料和儲熱材料。

3)按相變溫度范圍，有低、中、高溫儲能材料。

4)按化學(xué)組成分類，則是有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料3類[3]。

5)按相變方式分類，則有固-汽相變、固-液相變、固- 固相變以及液-汽相變。

1.2 特點

根據(jù)蓄熱方法不同，儲能材料可以劃分為3種，即顯熱儲能、化學(xué)反應(yīng)儲能以及潛熱儲能。在操作上，顯熱儲能材料是比較便利的，但是由于材料自身的溫度是不斷變化的，需要在周圍環(huán)境的誘導(dǎo)下進(jìn)行能量的釋放，所以無法控制環(huán)境的溫度，此外顯熱儲能材料有著較低的貯能密度，裝置的體積是比較大的，所以在實際應(yīng)用中并沒有太大的價值。對于化學(xué)反應(yīng)儲能材料，其儲能的密度是比較高的，但是由于工藝技術(shù)的復(fù)雜性，只能在太陽能領(lǐng)域中應(yīng)用。潛熱儲能材料即相變儲能材料，通過固-固、固-液、固-氣或者液-氣相變將材料本身吸熱或放熱的能力發(fā)揮出來，有效儲存和釋放能量，這種相變儲能材料的蓄能密度較大，效率較高，環(huán)境溫度的變化不會對吸熱、放熱產(chǎn)生影響，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如太陽能、智能空調(diào)建筑物溫度的調(diào)節(jié)控制、廢熱回收等。因此它是未來熱能應(yīng)用的一個重要研究方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，將傳統(tǒng)建筑材料與相變儲能材料相結(jié)合，能夠很好達(dá)到節(jié)能的目的，因此在建筑節(jié)能發(fā)展中，相變儲能材料有著極好的應(yīng)用[4]。

1.3 制備方法

相變儲能材料復(fù)合方法包括微膠囊法、多孔吸附法、插層法、化學(xué)接枝法等。復(fù)合相變材料常見的制備方法有浸漬法、封裝法、物理混合法、化學(xué)改性法等。

目前將相變儲能材料與建筑基體材料相結(jié)合的方法主要有：直接加入混合、浸滲法、微膠囊封裝、多孔材料吸附等。

2 相變儲能材料的研究現(xiàn)狀

2.1 泡沫炭相變復(fù)合儲能材料

泡沫炭相變復(fù)合儲能材料在應(yīng)用于溫度控制和熱量管理方面具有很大的優(yōu)勢，一方面，相變材料發(fā)生相變時溫度可以維持在一個穩(wěn)定的值，選用相變潛熱值較大的材料可以使恒溫特性保持更長時間。另外，相變材料吸熱和散熱時溫度均能保持恒定，且可以反復(fù)使用，這一特點使其在周期性熱載荷的環(huán)境中控溫效果更為明顯。在升溫時以潛熱形式吸收熱量，使系統(tǒng)溫度升高更為緩慢，而在降溫時將釋放熱量，保持系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定[5]。

泡沫炭相變復(fù)合儲能材料的整體導(dǎo)熱性能始終是最讓人關(guān)注的問題，圍繞泡沫炭相變復(fù)合儲能材料的整體導(dǎo)熱性能，目前的研究主要集中在兩個方面，一是對泡沫炭骨架熱導(dǎo)率的預(yù)測研究，通過泡沫炭骨架熱導(dǎo)率，進(jìn)而獲得泡沫炭復(fù)合相變材料整體的熱導(dǎo)率；二是對浸滲相變材料后的復(fù)合材料整體的研究，通過對控制方程的離散和數(shù)值求解，模擬復(fù)合材料整體在吸放熱過程中傳熱傳質(zhì)的變化，從而對材料整體的導(dǎo)熱性能進(jìn)行評估。

2.2 高分子相變儲能材料

一般而言，具有實用價值的高分子相變儲能材料應(yīng)該具備以下條件：較高的相變潛熱、合適的相變溫度、較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)、相轉(zhuǎn)變過程完全可逆、相轉(zhuǎn)變過程的穩(wěn)定性和可靠性要強(qiáng)(通常大于5 000次熱循環(huán))、較小的相變體積、化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定、較低的過冷度、較高的密度。

高分子相變儲能材料的研究方法及進(jìn)展：

1)多孔吸附法

將相變儲能高分子材料加熱至熔融液態(tài)，采用真空浸漬法、加壓加熱浸漬法、溶液浸漬法等方法，使相變材料吸附進(jìn)入多孔材料的孔隙內(nèi)，通過毛細(xì)作用力和表面張力將相變材料有效固定在多孔材料上。

2)物理共混熔融法

以高熔點組分作為骨架支撐材料，低熔點組分為相變材料，如果這兩種組分具有很好的相容性，根據(jù)“相似相容”原理，可以通過加熱熔融共混或者溶劑共混制備復(fù)合相變材料，實現(xiàn)高熔點組分對低熔點相變材料的包裹。

3)微膠囊封裝法

一般將形成囊壁的反應(yīng)單體及催化劑分散在相變材料芯材(可以是乳化液滴，也可以是微小固體顆粒)的表面，在其表面發(fā)生聚合反應(yīng)。在反應(yīng)開始階段，單體在芯材表面產(chǎn)生低相對分子質(zhì)量的預(yù)聚物，隨著預(yù)聚物尺寸逐步增大后，單體在芯材表面沉積得越來越多，隨著交聯(lián)及聚合的不斷進(jìn)行，最終形成穩(wěn)定的膠囊外殼，得到核殼結(jié)構(gòu)的微型膠囊相變材料。芯材一般是直鏈烷烴(石蠟類)、高級脂肪酸、無機(jī)水和鹽等，囊壁材料一般為脲醛樹脂、密胺樹脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯和芳香族聚酰胺等高分子材料。

4)交聯(lián)/接枝法

通常采用機(jī)械性能良好的高分子聚合物作為主鏈骨架(主鏈也可稱為硬段)，通過化學(xué)交聯(lián)/輻射交聯(lián)的方法將具備相變儲能特性的低熔點物質(zhì)作為分子側(cè)鏈(側(cè)鏈也可稱為軟段)與骨架分子結(jié)合在一起。在相變過程中，低熔點的有機(jī)固-液相變材料充當(dāng)軟段在結(jié)晶態(tài)與無定形態(tài)之間的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)能量的吸收與釋放，硬段在其中起到骨架的作用，在相變溫度以上限制軟段材料流動，從而使材料在相變溫度以上仍保持固態(tài)[6]。

預(yù)計今后高分子固-固相變材料的研究重點在以下幾個方面：

1)研究一系列具有適宜相變溫度的相變材料，以滿足不同的應(yīng)用需求；

2)提高相變材料的導(dǎo)熱性能和相變速率；

3)提高相變材料的相變焓，研制出高能量密度的相變材料；

4)完善相變機(jī)理研究，建立可廣泛適用的相變材料表征方法和技術(shù)；

5)提高其環(huán)保性能和可循環(huán)性能，降低成本，盡量實現(xiàn)工業(yè)化。

2.3 水合無機(jī)鹽儲能相變材料

水合無機(jī)鹽相變儲能材料具有相變溫度范圍廣、導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性良好、儲熱密度大、成本低、易制取等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。比如在廢熱和余熱的回收利用、太陽能利用、電力的“移峰填谷”、工業(yè)與民用建筑供暖和空調(diào)的節(jié)能以及航空航天、紡織工業(yè)、園藝溫室保溫等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，對實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展等至關(guān)重要。相變儲能技術(shù)是一種合理有效利用現(xiàn)有能源、優(yōu)化使用可再生資源和提高能源利用率的重要措施，成為近年來各國的研究熱點，主要包括以硫酸鹽、氯化鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等作為典型的水合無機(jī)鹽儲能相變材料[7]。

從20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外對傳統(tǒng)無機(jī)鹽、無機(jī)水合鹽、金屬等相變材料進(jìn)行了連續(xù)和系統(tǒng)的研究，相變蓄熱技術(shù)以及相變材料開始廣泛地被應(yīng)用于生活或生產(chǎn)中。利用復(fù)合相變材料在太陽能輻射時吸收能量，無輻射時釋放能量，使太陽能大量經(jīng)濟(jì)利用成為可能。水合無機(jī)鹽相變儲能材料在能源節(jié)約、建筑材料以及日常生活中的應(yīng)用等都有廣闊的市場，為其在未來的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

適用于中低溫場合(室溫)的無機(jī)水和鹽相變材料(熔點21．31 ℃)，可應(yīng)用于輕型柜式空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組。水合鹽相變儲能材料具有儲熱密度大，導(dǎo)熱系數(shù)大，相變溫度適中，低價易得等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用前景。相變儲能模塊與空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)集成技術(shù)研究還不夠成熟，開發(fā)出高效節(jié)能廉價的相變材料與儲能模塊，并將其集成于空調(diào)系統(tǒng)，將是今后研究的熱點。

2.4 石墨烯基相變儲能復(fù)合材料

利用真空浸滲等手段，將高導(dǎo)熱的石墨烯泡沫與有機(jī)相變材料復(fù)合，可獲得具有高導(dǎo)熱、形狀穩(wěn)定、高儲能密度的相變復(fù)合材料，為儲能和熱管理領(lǐng)域的發(fā)展提供新的可能。高導(dǎo)熱的石墨烯泡沫可以有效提高相變材料的熱導(dǎo)率，實現(xiàn)對液態(tài)相變材料的封裝，應(yīng)用于儲能與熱控領(lǐng)域可以有效提高熱響應(yīng)速率[8]。

對相變儲能復(fù)合材料來說，石墨烯泡沫的熱導(dǎo)率是其關(guān)鍵性能參數(shù)。只有泡沫骨架的熱導(dǎo)率高，才能提高熱量在復(fù)合材料內(nèi)部的擴(kuò)散速率，提高復(fù)合材料整體的熱響應(yīng)速率。

有機(jī)相變材料具有在相變時導(dǎo)熱系數(shù)低、易泄露等缺點，為了解決有機(jī)相變材料的這些缺陷，必須提高其導(dǎo)熱性能。石墨烯的導(dǎo)熱性能很高，再加上石墨烯的密度很低，遠(yuǎn)低于常被加入相變儲能材料中從而提高相變儲能材料的導(dǎo)熱性能的金屬材料的密度。石墨烯的性能使得其在提高相變儲能材料的領(lǐng)域上得到了利用。

新型相變材料包括復(fù)合相變儲能材料(毛細(xì)血管作用下的相變材料，共混法制備復(fù)合相變材料)和膠囊型相變材料。

3 應(yīng)用進(jìn)展

相變儲能材料在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值,包括航空航天、太陽能利用、軍事工程、建筑隔熱保溫、廢熱和余熱的回收利用等，在實際應(yīng)用前需要對相變儲能材料進(jìn)行封裝,常見封裝方法包括直接摻入、浸漬、微膠囊和定形相變材料等。并非所有PCMs都可以投入實際應(yīng)用，PCMs的選擇有以下要求：相變溫度在實際操作范圍內(nèi)，潛在的蓄熱能力高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)和熱性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕性、對環(huán)境無害、成本低、容易獲得、體積變化小、無過冷或輕微過冷。

PCM的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在控溫領(lǐng)域的應(yīng)用上，PCM衍生的熱管，PCM溫控技術(shù)等，由于其高效節(jié)能環(huán)保的特性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液冷、風(fēng)冷冷卻技術(shù)，成為溫控領(lǐng)域的首選。在儲能領(lǐng)域上，PCM可以成功地實現(xiàn)對能量的回收利用，在提高化石能源利用率的同時，也能提高人類對太陽能的利用效率。因此，可以說PCM是一種節(jié)能環(huán)保的綠色材料，若能成功地協(xié)調(diào)好材料各方面性能的要求，將在人類社會綠色健康發(fā)展的進(jìn)程中發(fā)揮巨大的作用[9]。

由于具有較大的相變潛熱和穩(wěn)定的相變溫度等特點，有機(jī)PCMs已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建筑、太陽能、電子設(shè)備、紡織品和汽車等行業(yè)。太陽能系統(tǒng)、汽車、食品和制冷系統(tǒng)主要是利用有機(jī)PCMs相變潛熱較大的特性，通過調(diào)節(jié)熱能供給和需求的不平衡，達(dá)到降低系統(tǒng)能耗、減少投資成本的目的。建筑節(jié)能、冷卻電子設(shè)備和熱調(diào)節(jié)紡織品系統(tǒng)主要是利用有機(jī)PCMs恒定的相變溫度，以保持最佳的工作環(huán)境溫度。

3.1 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

自1980年以來，PCM就被考慮用于建筑物的儲熱。隨著PCM應(yīng)用在特隆伯墻，墻板、百葉窗、地板下面的加熱系統(tǒng)、天花板也可作為建筑物的一部分用于加熱和冷卻應(yīng)用。在文獻(xiàn)中，開發(fā)和測試了PCM墻板和PCM混凝土系統(tǒng)的雛型，以提高標(biāo)準(zhǔn)石膏墻板和混凝土砌塊的熱儲能容量，特別關(guān)注峰值負(fù)荷轉(zhuǎn)移和太陽能利用。PCM在建筑中的應(yīng)用有兩個不同的目標(biāo)，首先，使用自然熱量，即用太陽能加熱或夜晚冷量冷卻，其次，使用人造熱或冷源。在任何情況下，都需要儲存熱量或冷量來滿足時間和電力的可用性和需求?；旧嫌?種不同的方式使用PCM來加熱和冷卻建筑物：建筑物墻壁上的PCM；除墻壁以外的其他建筑部件中的PCM；熱量和冷量儲存裝置中的PCM。包括相變墻體、相變板材、相變儲能砂漿、相變混凝土、相變太陽能暖房、相變蓄熱地板在石膏材料中的應(yīng)用、相變材料應(yīng)用于天花板、玻璃窗中。

美國最先將相變儲能材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并利用其潛熱來進(jìn)行能量的存儲。我國相比于發(fā)達(dá)國家，起步較晚，理論基礎(chǔ)相對不足。近年來，由于得到了國家各方面科研力量的支持，以中國科學(xué)院和少數(shù)對新材料研究有突破的專業(yè)尖端大學(xué)為中心，圍繞相變儲能材料開展了更為系統(tǒng)、更為高效的研究，這才使得我國在此領(lǐng)域獲得了較為可觀的進(jìn)步。

除了在房屋建筑方面，在道路橋梁上，也已經(jīng)有了相變儲能材料的蹤影。如今提倡的“第五代公路”，就是使公路成為自身的能量供應(yīng)者。于是便研發(fā)了將相變材料與瀝青、水泥相融合，將其鋪設(shè)到路面的新技術(shù)。這項新技術(shù)能夠很好地解決寒冷天氣下雨雪使得道路、橋梁表面結(jié)冰不能行駛的問題[10]。

1)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

在常用的建筑材料中加入相變材料，可以制作墻體、底板等建筑圍護(hù)材料。根據(jù)目前的研究與應(yīng)用，制備建筑圍護(hù)材料大多采用有機(jī)類相變儲能材料，如添加脂肪烴或脂肪酸類、多元醇類等。脂肪烴或脂肪酸類是固- 液相變材料，需要進(jìn)行封裝。多元醇類是固- 固相變材料，通過晶型轉(zhuǎn)換進(jìn)行儲能和釋能。把相變儲能材料加入石膏、混凝土等基礎(chǔ)建材，即可制備成相變儲熱建筑圍護(hù)材料。

相變材料在水泥基材料中的應(yīng)用包括：應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，達(dá)到儲熱節(jié)能的效果；應(yīng)用于大體積混凝土，減少溫度裂縫的產(chǎn)生；應(yīng)用于水泥基材料中改善其抗凍性。

2)供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

首先，有相變蓄熱器的空氣型系統(tǒng)，這種供暖系統(tǒng)主要涉及以下部分，分別是空氣型太陽能集熱器、集熱器風(fēng)機(jī)、相變蓄熱器、負(fù)荷風(fēng)機(jī)以及輔助加熱器等。其次，太陽能水源熱泵供熱系統(tǒng)，這種系統(tǒng)冷凝器能夠加熱空氣，保證房間中的供暖效果，蒸發(fā)器側(cè)冷媒水系統(tǒng)主要包括相變蓄熱器、太陽能集熱器、蒸發(fā)器以及循環(huán)水泵等。最后，地板輻射供暖系統(tǒng)，這種系統(tǒng)利用相變儲能材料，儲存太陽能以及夜間低價的電能，發(fā)揮相變材料中電加熱絲的作用，使儲存的熱量能夠被傳遞到地板層以及熱阻材料上，實現(xiàn)供熱的效果。地板輻射供暖系統(tǒng)需要的熱媒溫度不高，有很好的熱舒適性，溫度波動比較穩(wěn)定，可以充分發(fā)揮太陽能等能源，實現(xiàn)節(jié)能效果，是一種比較理想的供暖方法。

3)保溫儲能纖維的應(yīng)用

儲能纖維是將具有保溫或制冷的相變材料通過不同的方法與纖維基體相復(fù)合所制得，此類纖維所紡的織品能在環(huán)境溫度改變時，依靠內(nèi)部相變材料的相態(tài)變化，減小織品內(nèi)部環(huán)境的溫度波動。目前相變儲能纖維主要的制備工藝有復(fù)合紡絲法、中空填充法、涂層法等，其中復(fù)合紡絲法應(yīng)用最為廣泛,所紡纖維的結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定,循環(huán)使用性也最好[11]。

3.2 高分子相變儲能材料的應(yīng)用

聚氨酯固-固相變材料作為一種新興的高分子相變材料，不但儲熱性能優(yōu)異，在相變過程中溫度近似恒定，還具有在相變過程中無液體或氣體泄露、體積變化小等優(yōu)點。聚氨酯固-固相變材料除了應(yīng)用于紡織品外，還可廣泛應(yīng)用于太陽能、建筑節(jié)能、電子器件、航空航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。以PEG2000為軟段、IPDI和BDO為硬段，合成了一系列不同軟段含量的水性聚氨酯相變儲能材料(WPUPCM)[12]。

目前高分子相變儲能材料主要應(yīng)用在以下幾個方面：

1)自動調(diào)溫保暖服裝，由相變儲能纖維生產(chǎn)；

2)自動調(diào)溫房屋建筑，用相變儲能材料制成磚瓦、墻板、天花板等建筑材料；

3)軍用防紅外探測的熱仿真誘餌；

4)人造衛(wèi)星、航天飛行器等關(guān)鍵部位的溫度控制，自動控溫的外殼、蓋板、散熱板；

5)大功率電子元件及電池的熱調(diào)控，用高分子相變材料制成吸熱池和界面?zhèn)鳠岵牧希?/p>

6)交通運輸業(yè)需要的恒溫集裝箱。

3.3 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(jìn)一步利用。利用相變材料蓄熱儲能的特性，可以很好地克服太陽能不穩(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)等有著廣泛的應(yīng)用。

相變儲熱結(jié)合太陽能熱泵系統(tǒng)共有3種運行方式：當(dāng)太陽能輻射充足時，向室內(nèi)供暖的同時，將熱量儲存在相變儲熱箱中；當(dāng)太陽能輻射一般，僅能滿足供暖需求時，不經(jīng)過儲熱箱，直接向供暖末端供熱；當(dāng)夜晚、陰天時，太陽能輻射較弱，此時利用白天儲存在相變儲熱箱中的熱量，向供暖末端供熱。

3.4 應(yīng)用于余熱、廢熱回收

工業(yè)生產(chǎn)過程中伴隨著余熱、廢熱產(chǎn)生,但其回收利用較為困難,利用相變蓄熱材料可以將這些熱能存儲起來進(jìn)行二次利用。這其中主要用到的是以熔融鹽為主的高溫相變材料,其封裝主要有3種：金屬基、碳基材料和陶瓷基材料。目前,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的換熱設(shè)備是管殼式相變蓄熱器，目前中低溫相變材料在鋼鐵行業(yè)余熱回收得到很好應(yīng)用。

工業(yè)用加熱爐在我國使用很廣泛，其中有很大一部分為間歇式爐，此類加熱爐的熱效率不高，通常在30%左右，而鍛造爐則在10%以下。由此提出了相變儲熱結(jié)合工業(yè)加熱系統(tǒng)。相變儲熱裝置與加熱爐、鍛造爐的助燃空氣通道和煙道連接，當(dāng)加熱爐、鍛造爐工作時，相變儲熱裝置從加熱爐煙氣吸收的熱量，一方面可以降低排煙溫度，提高系統(tǒng)熱效率；另一方面熱量儲存起來，待加熱爐、鍛造爐工作時用于爐體和空氣的預(yù)熱，同時降低了燃料的消耗，降低運行成本[13]。

3.5 電子器件的散熱

在新興電子應(yīng)用中，減小尺寸和增加功能的需求不斷增長，電子芯片發(fā)展受到高熱量的影響，多芯片模塊和傳感器的不規(guī)律運行和功率不同，產(chǎn)生的熱量可能是穩(wěn)態(tài)的也有可能是瞬態(tài)的，消除這些器件的熱量并抑制瞬態(tài)功率尖峰期的溫度過沖，已成為電子封裝設(shè)計中的重要挑戰(zhàn)。因此必須設(shè)計冷卻系統(tǒng)，用于峰值功率運行的情況，否則應(yīng)該加入另一個系統(tǒng)來適應(yīng)瞬態(tài)工作條件下的功率變化。

3.6 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)定運行[14]。

3.7 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)體制冷是一種以溫差電現(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。

3.8 家具與內(nèi)裝材料中的應(yīng)用

當(dāng)前建筑與家裝領(lǐng)域?qū)ο嘧儍δ芗夹g(shù)與木塑材料結(jié)合的有關(guān)研究較少，利用這種技術(shù)所制得的木塑定型相變儲能材料不含有甲醛系膠粘劑，原料價格低廉，現(xiàn)作為一種代木材料，可以廣泛應(yīng)用于木制品領(lǐng)域，具有其獨特的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展空間。

1)在家具上的應(yīng)用

將木塑相變儲能材料應(yīng)用于家具材料中，其物理力學(xué)性能及熱學(xué)性能均優(yōu)于普通復(fù)合材料，其彎曲和拉伸性能可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，沖擊強(qiáng)度有所提高，且達(dá)到了木塑裝飾板標(biāo)準(zhǔn)要求。其制成的家具能夠有效利用太陽能和建筑中的余熱，將溫度控制在人體的舒適溫度范圍，同時增加材料的吸濕性、沖擊強(qiáng)度和表面硬度。

2)在內(nèi)裝上的應(yīng)用

與普通的陶瓷板相比，木塑相變儲能材料板的降溫及升溫速度都低于陶瓷板，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的吸收及釋放，有效調(diào)節(jié)溫度，縮小差值。將復(fù)合材料用于室內(nèi)裝飾方面，可以做成木塑門門扇、木塑門套、木塑墻板和木塑地板。

3)在墻板上的應(yīng)用

采用負(fù)載有相變儲能材料的樹脂包覆木粉、PVC塑料粉末和各種助劑的木塑復(fù)合材料具有良好的儲能保溫性能，可將環(huán)境溫度有效地控制在20～30 ℃的人體舒適范圍內(nèi)，同時具備良好的力學(xué)性能。采用上述相變儲能保溫的木塑復(fù)合材料建造的房屋可在白天吸熱，抵御室內(nèi)溫度過度上升，在夜間釋放相變潛熱保暖避寒，維持人體舒適的溫度范圍，具有冬暖夏涼、晝涼夜暖的作用，可以用來營造舒適的居住空間，對于減少能源消耗，實現(xiàn)低碳環(huán)保具有重要意義[15]。

3.9 其他應(yīng)用

相變材料在應(yīng)用于飛行器熱控方向上已有許多成功的方案，國內(nèi)外學(xué)者也對相變材料應(yīng)用于飛行器熱控進(jìn)行了一系列的研究。我國的嫦娥一號也采用了相變材料與熱管結(jié)合的熱控方案。相變材料在農(nóng)業(yè)上最典型的應(yīng)用就是溫室。隨著空調(diào)能耗的逐年上升，相變材料因具有節(jié)能和削峰填谷的優(yōu)勢成為學(xué)者研究的熱點，5～12 ℃的相變材料成為常規(guī)空調(diào)蓄冷的最佳選擇。還有動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),谷電蓄熱、電力調(diào)峰, 空調(diào)冷凝熱回收等應(yīng)用。將相變材料應(yīng)用在石油化工設(shè)備中，可以減少油品的損耗，延長設(shè)備的壽命，節(jié)省保溫降溫所需的費用等。

相變儲能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用設(shè)施、建筑節(jié)能以及新能源電力等諸多領(lǐng)域，甚至溫度敏感材料的運輸和保存、太空中人造衛(wèi)星等航天儀器儀表的恒溫控制，各種商業(yè)化用途的精密控溫電子器件等均可采用其降低能耗，提高效率。

未來發(fā)展趨勢可概括為: 針對不同的需求，研制出具有合適的相變溫度、高相變焓、低成本且能在長期使用過程中物理化學(xué)性能穩(wěn)定的相變材料；開發(fā)更具實用性的改善相變材料實際性能的復(fù)合相變材料制備方法，制備物化性能更穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更優(yōu)的復(fù)合相變材料；注重開發(fā)更簡化的工藝流程，降低成本，促進(jìn)其應(yīng)用于更多場合，為提高能源利用率提供可行途徑[16]。

4 結(jié)語

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，在綠色節(jié)能環(huán)保建筑的應(yīng)用和推廣中占有舉足輕重的地位。人們越來越重視相變儲能技術(shù)的節(jié)能性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性。由于相變儲能材料的發(fā)展應(yīng)用時間不是很長，因此還需要提高重視程度,積極開發(fā)與研究。相信未來相變儲能材料有很好的發(fā)展前景，應(yīng)用范圍會越來越廣。