相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能采暖的研究現(xiàn)狀

蘇丹 胡瑞平

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求日益增加，原有石油、煤炭等一次能源越來越無法滿足人們?nèi)粘５哪茉葱枨?，并且從可持續(xù)發(fā)展以及對(duì)環(huán)境的影響來看，繼續(xù)使用其作為未來的主要能源也是不現(xiàn)實(shí)的。因此對(duì)于太陽能的開發(fā)利用已經(jīng)迫在眉睫，并且隨著現(xiàn)代對(duì)于太陽能技術(shù)的不斷開發(fā)、探索，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的一系列產(chǎn)品性能也越來越得到人們的廣泛認(rèn)同與使用，并且對(duì)于環(huán)境的影響方面也是一次能源無法比擬的。而其中的應(yīng)用于采暖的蓄熱材料越來越成為行業(yè)屆關(guān)注的焦點(diǎn)。由于相變蓄熱在太陽能采暖的應(yīng)用過程中具有的高蓄熱密度、高導(dǎo)熱性等優(yōu)良性能，使其在現(xiàn)代工業(yè)太陽能采暖、供暖系統(tǒng)中得到了廣泛的使用，并得到市場(chǎng)的一致肯定。接來下作者將在本文著重?cái)⑹鱿嘧冃顭岵牧显谔柲懿膳瘧?yīng)用的當(dāng)前景況，以及蓄熱材料對(duì)于太陽能采暖目前的研究成果，及其未來相變蓄熱材料的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向。

關(guān)鍵詞：太陽能;采暖;相變蓄熱材料;蓄熱技術(shù)

1 應(yīng)用研發(fā)背景

在全球工業(yè)飛速發(fā)展的今天，全球能源緊缺與可持續(xù)性越來越成為全世界重視的問題，在這個(gè)背景下，如何利用太陽能以及開發(fā)相對(duì)應(yīng)的更加節(jié)能減材的產(chǎn)品，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。從目前人類的認(rèn)知來看，太陽能具有足夠的能源儲(chǔ)藏，并且相對(duì)來說不受地域壞境的影響，在對(duì)于環(huán)境的無污染清潔方面具有其他一次能源無可比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前來看最有潛力的一種能源資源。由于受到人類的科學(xué)發(fā)展的限制，人類可利用太陽能的方式有光熱發(fā)電、光伏發(fā)電、光化學(xué)反應(yīng)發(fā)電以及光熱轉(zhuǎn)化等。在這之中由于光熱直接利用的高效性、方便性，因此在應(yīng)用于太陽能采暖方向得到了人們大力發(fā)展與研究。盡管具有以上優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)也不可避免的存在一定的缺陷：太陽光照受到季節(jié)、緯度的影響，并且其熱能轉(zhuǎn)換效率一直倍受人們所詬病。因此在這個(gè)背景下，如何能夠可持續(xù)的利用太陽能進(jìn)行采暖，并將多余的熱量?jī)?chǔ)存起來，在需要的時(shí)候釋放成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也正是這個(gè)原因，相變蓄熱材料應(yīng)用而生。由于相變蓄熱材料具有高蓄熱密度、高耐熱性等一系列優(yōu)良性能，使其存在非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，并且成為各大院校、研究所的重點(diǎn)研究方向。相變蓄熱材料的工作原理是根據(jù)物質(zhì)不同相變之間的過程轉(zhuǎn)化（相變轉(zhuǎn)化需要吸收或釋放大量的熱量），從而實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存與釋放。

2 相變蓄熱材料的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀

由于相變蓄熱材料高蓄熱密度等優(yōu)良性能以及熱量的儲(chǔ)存、回收，在太陽能采暖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。相變蓄熱技術(shù)由此而演變?yōu)橐韵聝煞N主要的研究方向、種類。

第一、是對(duì)材料本身性能的研究，由于材料性能決定了相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，因此來說，對(duì)于材料本身性能研究是各項(xiàng)研究的重中之重。這種研究主要包括對(duì)其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、使用周期進(jìn)行研究。并且在此過程中，也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的拓展研究，對(duì)如何提高箱變材料的熱傳導(dǎo)性能、熱塑性也有一定的分析。

第二、由于光熱直接利用技術(shù)存在著能量轉(zhuǎn)換效率低的問題，因此，如何提高轉(zhuǎn)換效率，研發(fā)優(yōu)化熱能轉(zhuǎn)換裝置，強(qiáng)化蓄熱器的熱損失，也成為蓄熱箱變材料主要的研究方向與未來發(fā)展的趨勢(shì)。

上世紀(jì)改革開放以后，我國(guó)才逐步建立起屬于自己的一系列相變蓄熱材料的研究。并且主要是針對(duì)無機(jī)水合鹽材料的研究。然而這種材料具有明顯的腐蝕性，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)于熱轉(zhuǎn)換器、熱儲(chǔ)存器的使用周期具有極其致命的負(fù)面作用。

近年來新型復(fù)合材料也逐步進(jìn)入了人們的視野，并且我國(guó)科研人員張正國(guó)等人，對(duì)其物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入淺出的研究，并取得不錯(cuò)的效果。他們研究成果表明，新型復(fù)合蓄熱裁量相較于以前單一的材料，具有明顯的熱轉(zhuǎn)換效率，其中相變速率提高15%到25%。并且由于近幾十年對(duì)于高分子學(xué)的充分研究，使人們發(fā)現(xiàn)高分子石蠟復(fù)合材料對(duì)于太陽能蓄熱效率的提高有著顯著地作用。因此，研究高性能的高分子石蠟符合材料也必將成為未來研究的熱點(diǎn)方向。

3 太陽能采暖系統(tǒng)以及相變蓄熱材料在太陽能采暖中的應(yīng)用

太陽能采暖系統(tǒng)分別有太陽能采集器與輔助熱源，熱量?jī)?chǔ)存以及熱量轉(zhuǎn)換設(shè)備。工作原理即白天太陽光照較強(qiáng)時(shí)，通過集熱器進(jìn)行正常的熱量轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行相應(yīng)的采暖過程，等到晚上光照相對(duì)不足時(shí)，再通過相對(duì)應(yīng)的輔助熱源通過蓄熱轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對(duì)于熱量的補(bǔ)充。太陽能采暖系統(tǒng)相對(duì)于其他系統(tǒng)相比具有以下的特點(diǎn)。首先是能夠克服在低溫下運(yùn)行的問題，其次具有儲(chǔ)熱裝置提高了能量的利用效率，并且使太陽能能夠充分均勻分配在一天當(dāng)中。最后相對(duì)于其他裝置，具有污染小，能耗低的特點(diǎn)，對(duì)于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)作用。

相變蓄熱材料在太陽能采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用方式主要分為以下幾種：顯熱蓄熱、相變蓄熱、熱化學(xué)蓄能材料。在這之中，相變蓄熱利用其材料本身在不同的相便是通過吸收或釋放大量的熱量來進(jìn)行能量的儲(chǔ)存于釋放，并且具有十分高效的蓄熱密度、使其在蓄熱材料的應(yīng)用中處于前列。

4 相變蓄熱材料的研究熱點(diǎn)分析

在相變蓄熱儲(chǔ)存過程中，盡管其具有蓄熱密度高、高耐熱性等許多優(yōu)良性能，然而其導(dǎo)熱性能卻存在著一定的缺陷，使得人們?cè)谶^去很長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)的相變蓄熱材料的研究陷入了一種原地踏步的階段。然而，隨著高分子復(fù)合材料學(xué)的廣泛且快速發(fā)展，使得以高導(dǎo)熱性材料作材質(zhì)的復(fù)合新材料成為可能，并且也成為目前相變蓄熱材料的熱點(diǎn)研究方向。

5 展望與總結(jié)

隨著人類社會(huì)對(duì)于能源需求的日益增加，以及對(duì)于環(huán)境保護(hù)的日益重視，太陽能作為一次能源以及可再生能源，對(duì)于人類未來的能源供應(yīng)起著十分重要的作用，并且具有十分重要的戰(zhàn)略意義，它的市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，對(duì)未來的研究投入有很好的前景。在這一背景基礎(chǔ)上，相變蓄熱材料與太陽能采暖系統(tǒng)的廣泛結(jié)合與推廣，對(duì)于我國(guó)未來在太陽能領(lǐng)域的發(fā)展起著先決作用，并且對(duì)于我們?cè)谠擃I(lǐng)域的研究的領(lǐng)導(dǎo)地位也有一定的促進(jìn)，除此之外，對(duì)于我國(guó)探索海綿城市，以及未來可持續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?？傊嘧冃顭峒夹g(shù)應(yīng)用于太陽能采暖系統(tǒng)具有十分明朗的前景與廣闊的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜輝.相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].科技風(fēng)，2020（01）：122.

[2]戴遠(yuǎn)哲，唐波，李旭飛，張振宇.相變蓄熱材料研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，2019，82（08）：717-724+730.

[3]劉婧，劉建，張聲贊.相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能采暖的研究現(xiàn)狀[J].化工管理，2018（14）：26.

[4]楊亞帥.基于太陽能供暖系統(tǒng)的相變蓄熱材料研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2017.

[5]朱傳輝，李保國(guó).相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能采暖的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2017，36（03）：236-240.

[6]趙海東，張咪，馬宏芳，賀格格，溫帥.粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料的制備[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（05）：38-40

[7]王柵，劉凱，李靜，侯景鑫.相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2016（09）：114.

[8]李勇，郭蓓，黃官飛，譚書鵬，河合武，宮保修一，束鵬程.太陽能熱發(fā)電復(fù)合相變蓄熱材料的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48（03）：49-95.