相变储能材料

相变储能材料的研究摘要：相变储能材料对于能源的开发和合理利用具有重要的意义，在太阳能利用及工业 余热回收方面有显著的优点。综述了固固相变，固液相变储能材料的特性及应用，及它 们的优缺点。探讨了这方面的发展方向，展望了储能技术市场化应用的前景。关键词：相变材料 储能 固固相变 固液相变 引言：今年来，相变储能材料成为了国内外研究的热点，相变储能技术可以解决能量问 题，能提高能源的利用率。相变储能材料是指在其物相的变化中可以从环境中吸收或放出热 量，从而达到储能和释放能量的目的。利用此性质，可以在太阳能，工业余热，电力的“移 峰填谷”与民用的建筑及空调的节能领域制造出各种提高能源利用率的设施。同时由于在相 变的过程中，温度的几乎恒定，因此也可以用于调节周围环境的温度，并且可以反复使用。 由于相变材料的应用十分广泛，它已成为人们日益重视的新型材料。相变储能材料根据相变形式、相变过程主要分为固固相变、固液相变储能材料。 按相变温度范围分为高温、中温、低温储能材料。通常相变储能材料是由多组分组成的，包 括主储热剂，变相点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进剂等。固固相变储能材料目前开发的固固相变储能材料中，多元醇在实际应用中较多。这类相变材料主要有 PE、PG、NPG 等。低温时他们具有高对称的层状体心结构，同层分子以范德华力连接，层 与层直接由一OH形成氢键连接，当达到固一固相变时，将变为低对称的面心结构，同时氢 键会发生断裂，分子发生由晶态变为无定形态的转变，放出氢键的能量。若温度继续升高， 则转化为液态，但是要发生固一液相变所须温度很高，所以发生固一固相变后仍温度仍有很 高的上升幅度而不至于发生固一液相变。所以在储热的过程中体积变化很小，对封装的技术 要求不是很高，固一固相变的热较大，大小与分子中含的羟基数目有关，分子中的羟基数目 越多，则相变过程中的焓变越大。几种多元醇的相变温度和相变热见下表：表1名称分子中羟基数目相变温度/c相变焓 J/g熔点/cPE4188323260PG381193198NPG243131126多元醇的相变温度较大，所以限制了其使用性，只有增大相变稳定范围，满足各种情况 下对储热温度的要求才能让其有是用性。为了达到这个要求可以将多元醇的两种或三种按不 同比例混合，调节相变温度。不同种类和不同比例的多元醇的混合体系其相变温度和焓变有 较大变化，其中加入TMP所形成的PETMP体系最为好。多元醇二元体系的转变温度和转变焓见下表：表2组分PE%相变温度。C相变焓 KJ/molPE10018836.8PETM5048125.4PENGP251195.565016910.17PEPE5012322.37214928.8多元醇相变材料有使用寿命长、相变焓大、无液相产生、体积变化小等优点。固液相变储能材料目前固液相变储能材料比固固相变储能材料更成熟，主要有无机水合盐和有机物。 无机储能材料无机水和盐有较大的溶解热和固定的熔点，是低中温相变中的重要材料，主要有结晶水 和盐、熔融盐、金属和金属合金等。使用较多的主要有碱及碱土金属卤化物、硝酸盐、硫酸 盐、磷酸盐、碳酸盐、醋酸盐等。但是这类材料易出现“相分离”和“过冷”的现象。“相 分离”现象是指多次反复使用后，材料中的盐和水分离，有部分盐步溶于结晶水而沉在底部， 形成分离现象，导致储能能力下降，缩短了使用周期。如果加入增稠剂和晶体结构改变剂后 就能解决该问题。“过冷”现象是指物质到达冷凝点并不结晶而是要到冷凝点一下才会发生， 这样会导致相变温度发生变化。要防止“过冷”现象常选用过冷倾向、熔点比相变材料略高、 组成与性质接近相变材料的化合物。常用无机水和盐相变材料见下表：表4相变材料熔点/C熔解热J/g防过冷剂防相分离剂硫酸钠32.4 250.8硼砂高吸水树脂十二烷基苯磺酸钠醋酸钠58.2250.8Zn(OAc)2Pb(OAc)2明胶、树胶阴离子表面活性剂氯化钙29180BaS二氧化硅、膨润土CaSO4聚乙烯醇磷酸氢二钠35205硼砂、石墨聚丙烯酰胺为了适合应用要求，需加入柔软剂如硅酸钠、甘油等；为调节相变温度可以采用混合相 变材料。有机储能材料有机相变储能材料常有高级脂肪烃类、醇类、芳香烃类、多羟基碳酸类等。另有高分子 类、聚烯烃类、聚烯醇类、聚烯酸类。其中典型的有尿素、CFC、PE、PEG、PMA、PA等。一般说来同系有机物的相变温度和相变焓会随着碳链的增加而增大，这样就可以得到具 有一系列的相变温度储能材料，但是随着碳链的增加，温度的变化值会逐渐减小。由于高分 子化合物类的相变材料是具有不同分子量的混合物组成的，并且由于分子链较长，结晶并不 完全，因此它的相变过程有个熔融温度范围。有机相变储能材料有固体成型好、不易发生“相分离”和”过冷”的现象，腐蚀性小、性 能稳定等优点。目前，为了克服固液相变储能材料流动性的缺点，出先了很多形状稳定的固液相变 材料。即在相变过程中，外形可以保持固态，而不流动。这类材料主要是在有机物中加入高 分子树脂类，如聚乙烯、聚苯乙烯等。结论及展望：如果在水泥中加入这些材料，这样的水凝就能在建筑中有很大的前景，因为它可以合理 的利用太阳能，在外面温度高的时候可以将能量储存起来，到温度低的夜晚将能量释放，保 证室内的温度稳定，使室内更加舒适，同时可以减少空调的使用，减少大气污染。但是如何 保证材料能够长期使用是一个很重要的问题包括循环使用过程中的性能退化问题，相变材料 从机体中泄漏等。如果能够合理解决，这种水泥在市场上会有佷大的竞争力。随着人们生活水平的提高，人们对周围环境的要求也会越来越高，对环境保护、节约能 源、减少污染的要求也会逐渐提高，多以对储能技术的需要也会更强烈。这样必然会是储能 技术更快的发展。因此，在不久的将来，储能材料会有很大的市场，会获得更为广泛的应用。 参考文献：1 薛平，李建立，孙国林，韩晋民. 储能调温新型材料在建筑领域的应用研究.材料导报， 2003年5月5期2 马烽， 王晓燕，程立媛. 癸酸-月桂酸/膨胀石墨相变储能材料的制备及性能研究 .功能 材料报，2010年 S1 期3 杨玉山，董发勤，甘四洋. 相变储能混凝土的研究. 功能材料报，2007年 2 期4 施韬，孙伟，王倩楠. 潜热储能石膏基建筑材料的制备及其储（放）热行为研究 .功能 材料报，2009年6月 34期5 马宝国，塞守卫，金磊，张琴. 无机/相变定型储能材料的制备研究进展 .材料导报，2008 年 12 期6 周盾白，周子鹄，贾德民. 机相变材料制备技术的研究进展. 材料导报，2009 年 15 期7 陈爱英，汪学英，曹学增. 相变储能材料的研究进展与应用. 材料导报，2003 年 5 期8 樊耀峰，张兴祥. 有机固-固相变材料的研究进展. 材料导报，2003 年 7 期9 黄金，张仁元， 伍彬. 复合相变储能材料制备工艺对其浸渗率和相对密度的影响.材料 科学与工程学报，2006年5期10 张仁元， 孙建强， 柯秀芳， 周晓霞. Al-Si 合金的储热性能. 材料研究学报，2006 年2期11 张东， 周剑敏，吴科如， 李宗津. 颗粒型相变储能复合材料.材料研究学报， 2004年5期12 赵建国，郭全贵，高晓晴，魏兴海，史景利，要立中，刘朗 . 石蜡/膨胀石墨相变储能 复合材料的研制.新型炭材料，2009年2期13 史巍，张雄. 相变储能大体积混凝土的控温性能 .同济大学学报（自然科学版），2010 年4期14 缪春燕，褚晓东，姚有为，唐国翌，翁端. 复合固液相变储能微球的制备. 功能材料， 2008年 10期15 马烽，王晓燕，李飞，陈明辉. 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究. 材料工程， 2010年6期16 施韬，孙伟. 相变储能建筑材料的应用技术进展. 硅酸盐学报，2008 年 7 期17 梁辰，闫全英，张林，李国栋. 墙体储能用定形相变石蜡储热性能的实验研究. 太阳能 学报，2009年 12 期20 刘成楼. 相变储能材料在抗裂抹面砂浆中的应用研究. 新型材料建筑报，2009年 7期21 张焘，曾亮，张东. 膨胀石墨、石墨烯改善无机盐相变材料热物性能. 无机盐工业，2010年5期22 周晓明.PEG/PVA高分子固-固相变储能材料的制备.合成树脂及塑料，2009年3期23 顾晓华，西鹏，牛淑青，高芬. 一种新型固-固相变储能材料的制备及其表征. 中山 大学学报（自然科学版）2009 年 Z2 期24 赵建国，郭全贵，刘朗，鲍居宇，王海青，王闯. 膨胀石墨基相变储能材料的研究. 现 代化工， 2009 年 Z1 期25 宋晓庆，姜猛进，叶光斗，李守群，徐建军. 石蜡/聚乙烯醇相变储能纤维的制备与表 征. 复合材料学报， 2008年1期26 马保国，蹇守卫，金磊，穆松，张琴. 无机/相变定型储能材料的制备研究进展. 材料导 报， 2008年12期27 付英，曾令可，王慧，刘艳春. 相变储能材料在工业余热回收领域的应用研究进展. 工 业炉， 2009 年 5 期28 王昭俊. 相变储能墙体材料传热理论与应用研究综述. 暖通空调， 2008年11期30 张永娟，张雄，郑雯，张耀忠. 复合相变纳米组件用于大体积混凝土控温研究. 同济 大学学报（自然科学版）,2010 年 9 期31 孙建强，张仁元. 金属相变储能与技术的研究与发展. 材料导报.， 2005年8期32 尚燕，张雄. 储能新技术-相变储能. 上海建材， 2004年6期33 李玉红，焦庆影，夏定国，于志辉. 常低温相变储热材料的研究和应用. 化学教育， 2004 年 10 期34 粟劲苍，刘朋生. 具有储能功能的聚氨酯固-固相变材料的研究. 华东理工大学学报 （自然科学版）,2006年2期35 粟劲苍，刘朋生. 高分子固-固相变储能材料的研究与应用. 合成树脂及塑料， 2006 年2期36 顾晓华，西鹏，刘朝辉，贾永堂，沈新元. 聚氨酯固-固相变储能材料的研究. 中山大 学学报（自然科学版），2007年Z1期37 赵建国，郭全贵，刘朗，鲍居宇，王海青，王闯. 膨胀石墨基相变储能材料的研究. 现 代化工， 2009 年 Z1 期38 闫全英，王威. 在储能过程中多元醇类相变材料挥发性的实验研究 . 材料导报， 2005 年 z2 期39 王艳秋，张恒中，朱秀林.（PEG1+PEG2）/PET共混固固相变材料中PEG共晶现象的 研究. 精细石油化工进展，2002年 7期40 尚建丽，李乔明，王争军，赵鹏 . 相变储能材料的制备与研究. 化工新型材料，2010年6期