相變儲(chǔ)能材料

1、上海大學(xué) 2011-2012 學(xué)年 秋 季學(xué)期研究生課程考試小論文課程名稱： 先進(jìn)功能材料 課程編號(hào)： 102004812 論文題目: 相變儲(chǔ)能材料綜述 研究生姓名: 魏敏 學(xué) 號(hào): 11721590 論文評(píng)語(yǔ):成 績(jī): 任課教師: 評(píng)閱日期: 相變儲(chǔ)能材料綜述魏敏 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院摘要:相變儲(chǔ)能材料就是將暫時(shí)不用的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，到需要時(shí)再釋放，從而緩解能量需求的矛盾，節(jié)約能源。本文概述了相變儲(chǔ)能的原理、種類和特點(diǎn)、制備方法、性能要求以及在建筑中應(yīng)用，并指出當(dāng)前應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料存在的問(wèn)題以及新的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：相變材料；儲(chǔ)能；建筑；節(jié)能；一 引言近年來(lái)，當(dāng)今社會(huì)能源短缺及環(huán)境污染

2、成為我們所面臨的重要難題。開發(fā)利用可再生能源對(duì)節(jié)能和環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。開發(fā)新能源提高能源利用率已成為工業(yè)發(fā)展的重要課題。因此，相變儲(chǔ)能材料（phase change material）成為國(guó)內(nèi)外能源利用和材料科學(xué)方面的研究熱點(diǎn)。相變儲(chǔ)能技術(shù)可以解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配矛盾，也就是可以在能量多時(shí)可以儲(chǔ)能，在需要時(shí)釋放出來(lái)，從而提高能源利用率。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在推廣應(yīng)用相對(duì)比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能材料，以期待不斷提高技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。我國(guó)也在這方面進(jìn)行了積極的研究1-3。相變儲(chǔ)能材料是指在其物相變化過(guò)程中，可以從環(huán)境中吸收熱（冷）量或向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達(dá)到能量?jī)?chǔ)存和釋放的目

3、的。利用此特性不僅可以制造出各種提高能源利用率的設(shè)施，同時(shí)由于其相變溫度近似恒定，可以用來(lái)調(diào)整控制周圍環(huán)境的溫度，并且可以多次重復(fù)使用。作為為相變材料一般須滿足以下要求:儲(chǔ)能密度大；能源的轉(zhuǎn)換效率高；穩(wěn)定性好；單組分材料不易揮發(fā)和分解；對(duì)多組分材料,則要求各組分間結(jié)合牢固； 不會(huì)發(fā)生離析現(xiàn)象；無(wú)毒、無(wú)腐蝕、不易燃易爆, 且價(jià)格低廉； 導(dǎo)熱系數(shù)大,以便能量可以及時(shí)地儲(chǔ)存或取出；不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)化時(shí), 材料體積變化要小1。二相變儲(chǔ)能材料介紹 相變儲(chǔ)能原理儲(chǔ)能機(jī)理：（1）利用材料的比熱容或者材料溫度的變化 （2）利用材料物態(tài)的轉(zhuǎn)變（相變熱）相變儲(chǔ)能材料的分類相變儲(chǔ)能材料的種類繁多，根據(jù)不同劃分方法可以分

4、成不同的類別。根據(jù)相變過(guò)程一般可分為：固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。根據(jù)化學(xué)成分通常分為：有機(jī)類和無(wú)機(jī)類。根據(jù)相變溫度通常分為：低溫、中溫和高溫相變儲(chǔ)能材料1-3。（1）無(wú)機(jī)相變材料無(wú)機(jī)相變材料種類繁多，主要有結(jié)晶水和鹽、熔融鹽、金屬及合金類等。這類相變材料屬于中低溫相變材料，使用的較多的是結(jié)晶水和鹽類，這類材料的優(yōu)點(diǎn)是：熔解熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高，相變體積小，價(jià)格便宜等，其缺點(diǎn)是：過(guò)冷度大、易產(chǎn)生相分離和老化變質(zhì)等不利影響，通過(guò)加入成核劑和增稠劑可以有效的解決過(guò)冷和相分離現(xiàn)象。（2）有機(jī)儲(chǔ)能材料常用的有機(jī)相變材料有：高級(jí)脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺

5、類、氟利昂類和多羥基碳酸類等，另外高分子類有：聚烯烴類、聚多元醇類、聚烯醇類、聚烯酸類、聚酰胺類以及其他的一些高分子。尿素、Cn H2n+2， Cn H2n 02 、C10 H8 、PE、PEG、PMA、PA等。目前用的最多的有機(jī)儲(chǔ)能材料是石蠟。這類儲(chǔ)能材料的優(yōu)點(diǎn)是：固體成型好、不易發(fā)生相分離及過(guò)冷現(xiàn)象、腐蝕性較小、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是：導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、易揮發(fā)、易燃和相變時(shí)體積變化大等?？梢约尤脘X粉、銅粉等導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬粉末可以解決導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)。 典型的無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料三. 相變材料制備方法1熔融共混法利用相變物質(zhì)和基體混合加熱熔化, 再攪拌均勻，再冷卻制成組分均勻的儲(chǔ)能材料。

6、此種方法比較適合制備工業(yè)和建筑用低溫的定形相變材料, Indaba H等人通過(guò)熔融共混法成功地制備出石蠟/ 高密度聚乙烯定形相變材料4。 2吸附法石膏、水泥、混凝土等建筑材料內(nèi)含大量微孔，常作為相變材料的載體材料。以多孔材料為基體制備PCM的方法有浸泡法和混合法兩種。 浸泡法是將由多孔材料制成的一定形狀的物體浸泡在液態(tài)相變材料中，通過(guò)毛細(xì)管吸附作用制得儲(chǔ)能復(fù)合材料?；旌戏ㄊ菍⑤d體材料原料與相變材料先混合再加工成一定形狀的制品。 3. 壓制燒結(jié)法這種方法首先將載體基質(zhì)和相變材料球磨成直徑小于幾十微米的粉末，然后加入添加劑壓制成型，最后在電阻爐中燒結(jié)。這種方法通常用于制備用于高溫的相變儲(chǔ)能材料,

7、例如:張仁元、Randy 、張興雪 等人利用此方法成功地制備出Na2CO3-BaCO3/MgO,Na2SO4/SiO2 以及NaNO3-NaNO2/MgO 無(wú)機(jī)鹽/ 陶瓷基復(fù)合儲(chǔ)熱材料。這種材料應(yīng)用于高溫工業(yè)爐，既能起到節(jié)能降耗得作用，又能減少蓄熱室的體積，有利于設(shè)備的微型化。除了上述制備方法外，還有界面聚合法、噴霧干燥法、電鍍法和溶膠凝膠等新型方法4,5。四 相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用相變儲(chǔ)能建筑材料應(yīng)用于建材始于1981年，由美國(guó)能源部太陽(yáng)能公司發(fā)起，1988年由美國(guó)能量?jī)?chǔ)存分配辦公室推動(dòng)此研究。20世紀(jì)90年代以PCM處理建筑材料（如石膏板、墻板和混凝土構(gòu)件等）的技術(shù)發(fā)展起來(lái)了。目前已開

8、發(fā)的出各式的相變材料用于混凝土、天花板、墻體、窗戶和地板中，利用太陽(yáng)能蓄熱或電力負(fù)荷低谷時(shí)期的電力來(lái)蓄熱或蓄冷，使建筑室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度減弱、作用時(shí)間被延遲，從而降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適性，節(jié)約能耗6,7,8。太陽(yáng)能+相變材料地板采暖原理圖： 安裝在屋頂?shù)奶?yáng)能熱水器通過(guò)水泵經(jīng)導(dǎo)管將熱水輸送到地板的相變材料儲(chǔ)熱器中將熱能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)溫度在在21.C 之下之上(70.F)波動(dòng)時(shí)，地板下面的相變材料儲(chǔ)熱器吸收或釋放熱能量。并在需要時(shí)釋放為室內(nèi)采暖。太陽(yáng)能相變材料儲(chǔ)熱器可使室溫在整個(gè)冬季保持在21.C (70.F)的范圍，完全不受氣候的影響。相變墻體相變墻體8是美國(guó)20世紀(jì)80年代中期開

9、始研究的一種建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是含有相變材料的墻體。PCM墻板的蓄熱能力使其能夠在采暖或空調(diào)關(guān)閉之后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，將房間溫度保持在人體感覺舒適溫度范圍內(nèi)，還可以在較短時(shí)間內(nèi)快速儲(chǔ)存和釋放大量的熱量。圖2相變材料膠囊的剖面圖 圖3具有相變天花板的夜間供暖系統(tǒng)相變天花板相變天花板相變天花板8工作原理是：白天利用百葉窗反射太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能反射到天花板上，天花板中的相變材料熔化蓄存，夜間相變材料凝固放熱供暖。原理如圖3所示：考慮到人對(duì)居住建筑舒適性的要求，用于建筑的相變材料必須滿足以下幾個(gè)條件1： 1相變材料的相變溫度必須在室內(nèi)舒適溫度范圍附近； 2相變材料不能從原始建筑基材中泄漏、耐久性好； 3須在固

10、定溫度下熔化及固化，即必須是可逆相變，不發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象(或過(guò)冷度很小)； 4相變材料必須與建材相結(jié)合，相容性好； 5無(wú)毒，不易燃，體積膨脹小，價(jià)格低。 相變材料除了應(yīng)用于建筑節(jié)能中，在很多方面都有應(yīng)用，如：太陽(yáng)能方面，工業(yè)余熱方面、液化天然氣、電力調(diào)峰、農(nóng)業(yè)溫室、紡織、醫(yī)療保健、航空航天等多方面都有廣泛研究1,9。五 相變材料研究存在問(wèn)題及發(fā)展方向 存在問(wèn)題：耐久性問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，儲(chǔ)能材料本身儲(chǔ)能性能問(wèn)題。 發(fā)展方向：1.開發(fā)新型復(fù)合型儲(chǔ)能材料 2.開發(fā)多元相變儲(chǔ)能材料 3.進(jìn)一步提高材料本身的性能1有機(jī)相變材料為什么比無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料耐久性更好？有機(jī)相變儲(chǔ)能材料：固體成型好、不易發(fā)生相分離及

11、過(guò)冷現(xiàn)象、腐蝕性較小、性能較穩(wěn)定。 無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料：過(guò)冷度大、易產(chǎn)生相分離和老化變質(zhì)等不利影響 ，具有一定的腐蝕性。所以，有機(jī)相變物質(zhì)具有較好的儲(chǔ)能可逆性和穩(wěn)定性，是相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)：1 陳愛英,汪學(xué)英.相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用及其應(yīng)用J.洛陽(yáng)工業(yè)高等?？茖W(xué)報(bào)，2002,12 NO.42 張麗芝，張慶相變儲(chǔ)熱材料化工新型材料，1998，27(2)：193 陳愛英,汪學(xué)英,曹學(xué)增. 相變儲(chǔ)能材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用J,材料導(dǎo)報(bào)，2003,17(5):42-474 薛平，李建立，丁文贏. 定型相變材料的制備方法J.化工新型材料，2008,36（19）16-205 熊偉，朱金華，文慶珍. 相變材料微膠囊的制備J.新型建筑材料, 2011(6):83-856 孫