材料科學(xué)與工程101596相變儲能材料12/28/20221相變儲能材料的定義及研究背景定義：相變材料（PCM）是一類在其本身發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時(shí)向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達(dá)到控制周圍環(huán)境溫度的目的的材料。背景：當(dāng)今社會能源短缺及環(huán)境污染成為我們所面臨的重要難題。開發(fā)利用可再生能源對節(jié)能和環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。相變儲能技術(shù)通過相變材料相變時(shí)吸收或放出大量熱量以達(dá)到能量存儲的目的，是常用于緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式。該技術(shù)在太陽能的利用、電力的“移峰填谷”、氣廢熱和余熱的回收利用、工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，目前已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。12/28/20222材料學(xué)院王浩任101596原理儲能機(jī)理利用材料的比熱容或者材料溫度的變化（顯熱）。利用材料物態(tài)的轉(zhuǎn)變（相變熱）12/28/20223材料學(xué)院王浩任101596一、相變儲能材料的組成及物理性能

相變材料的種類很多，從蓄熱過程中材料相態(tài)的變化方式來看，分為固-液相變、固-固相變、固-氣相變和液-氣相變四類。由于后兩種相變方式在相變過程中有氣體產(chǎn)生，使得材料的體積變化很大，難以控制，但在實(shí)際應(yīng)用中很少被選用。因此，固-液相變和固-固相成為重點(diǎn)研究對象。結(jié)晶水合鹽石蠟多元醇陶瓷基復(fù)合材料12/28/20225材料學(xué)院王浩任101596

從材料的化學(xué)組成來看，主要分為無機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無機(jī)相變材料包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和金屬合金等無機(jī)物。與無機(jī)類相變儲能材料相比，有機(jī)類相變儲能材料具有無過冷及析出，性能穩(wěn)定，無毒，腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。其中石蠟類相變潛熱量大、相變溫度范圍廣、價(jià)格低，所以在相變儲能材料的研究使用中受到廣泛的重視。但石蠟類相變儲能材料熱導(dǎo)率較低，也限制了其應(yīng)用范圍。為有效克服石蠟類有機(jī)化合物相變儲能材料的缺點(diǎn)，同時(shí)改善相變材料的應(yīng)用效果及拓展其應(yīng)用范圍，復(fù)合相變儲能材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合相變材料由較穩(wěn)定的有機(jī)化合物和具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)物顆粒制備而得，因而復(fù)合相變材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，無毒無腐蝕性或毒性和腐蝕性小。同時(shí)它的導(dǎo)熱能力較有機(jī)物有較大的改善。石蠟因其具有較高的相變焓及較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，并具有相變穩(wěn)定、易調(diào)節(jié)廣泛應(yīng)用于相變儲能系統(tǒng)。不同組成的石蠟相變溫度不同，可以通過將不同相變溫度的石蠟進(jìn)行互混得到較廣范圍的相變溫度。石蠟中添加入高導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)物顆粒，得到的復(fù)合物不僅導(dǎo)熱系數(shù)有所提高，同時(shí)還保持了有機(jī)物原有的優(yōu)點(diǎn)。12/28/20226材料學(xué)院王浩任101596二、相變材料的制備方法目前制備相變材料的方法主要有以下幾種:①基體材料封裝相變材料法②基體和相變材料熔融共混法③混合燒結(jié)法12/28/20227材料學(xué)院王浩任101596基體材料封裝相變材料法封裝相變材料法就是把基體材料按照一定的成形工藝制備成微膠囊、多孔或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),再把相變材料灌注于其中或把載體基質(zhì)浸入熔融的相變材料中。其中微膠囊化技術(shù)包括界面聚合法和原位聚合法:⑴界面聚合法是將兩種反應(yīng)單體分別存在于乳液互不相溶的分散相和連續(xù)相中,而聚合反應(yīng)是在相界面上發(fā)生的。這種制備微膠囊的工藝優(yōu)點(diǎn)為:可以在常溫下操作,而且方便簡單、效果好。缺點(diǎn):①對壁材要求較高,被包覆的單體要有較高的反應(yīng)活性;②制備出的微膠囊夾雜有少量未反應(yīng)的單體;③界面聚合形成的壁膜的可透性一般較高,不適于包覆要求嚴(yán)格密封的芯材等。⑵原位聚合法的技術(shù)特點(diǎn)是:單體和引發(fā)劑全部置于囊心的外部且要求單體可溶,而生成的聚合物不溶,聚合物沉積在囊心表面并包覆形成微膠囊。12/28/20228材料學(xué)院王浩任101596混合燒結(jié)法這種方法首先將制備好的微米級基體材料和相變材料均勻混合,然后外加部分添加劑球磨混勻并壓制成形后燒結(jié),從而得到儲能材料。這種方法通常用于制備用于高溫的相變儲能材料,例如:張仁元、RandyP、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無機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合儲熱材料。12/28/202210材料學(xué)院王浩任1015961、差示掃描量熱法(DSC)和熱分析法(TA)

儲能材料的儲能溫度范圍和儲能密度是相變材料的主要物理性能,研究此性能常用的方法有差示掃描量熱法DSC和熱分析法TA法。DSC法和TA法都可以測試出相變材料的熔點(diǎn)(范圍)、冰點(diǎn)(范圍)以及相變材料的過冷度。另外,DSC分析還可以提供熔解熱、固化熱等反應(yīng)材料性能的重要數(shù)據(jù);而TA分析可以反應(yīng)出新相的形成和分離現(xiàn)象。在DSC測量中,所用試樣尺寸很小,樣品的過冷現(xiàn)象特別嚴(yán)重,但析出程度大大降低,因此,為了解相變材料在工程應(yīng)用中的特性,TA方法同樣非常重要。12/28/202212材料學(xué)院王浩任1015964、時(shí)間－溫度曲線法

時(shí)間－溫度曲線法屬于非穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法,利用圓柱體的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型導(dǎo)出的計(jì)算式,只要測量相變儲能材料完全相變的時(shí)間即可得到導(dǎo)熱系數(shù)。該方法的原理及裝置簡單,操作方便,所用材料的量較大,可以同時(shí)測量相變儲能材料的潛熱、相變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等多個物性,并且克服了以往在測量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)只能測定特定形狀的固態(tài)物質(zhì)的不足,它可以用來測量任何形狀形態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),尤其是可以測量液態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),為實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的方便。12/28/202214材料學(xué)院王浩任101596四、相變儲能材料的應(yīng)用相變儲能材料在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值，包括太陽能利用、電力調(diào)峰、廢熱利用、跨季節(jié)儲熱和儲冷、食物保鮮、建筑隔熱保溫、電子器件熱保護(hù)、紡織服裝、農(nóng)業(yè)等。12/28/202215材料學(xué)院王浩任101596（1）在太陽能方面的應(yīng)用太陽能清潔、無污染，而且取用方便。利用太陽能是解決能源危機(jī)的重要途徑之一。但是到達(dá)地球表面的太陽輻射能量密度偏低，且受到地理、季節(jié)、晝夜及天氣變化等因素的制約，表現(xiàn)出稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)。為了保證供熱或供電裝置的穩(wěn)定不問斷的運(yùn)行，需要利用相變儲能裝置，在能量富裕時(shí)儲能，在能量不足時(shí)釋能。12/28/202216材料學(xué)院王浩任101596（2）工業(yè)余熱利用

在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部門都有大量的各式高溫窯爐，它們的能耗非常之大，但熱效率通常低于30％，節(jié)能的重點(diǎn)是回收煙氣余熱。傳統(tǒng)的做法是利用耐火材料的熱熔變化來儲熱，這種儲熱設(shè)備的體積大、儲熱效果不明顯。如果改用相變儲熱系統(tǒng)，則儲熱設(shè)備體積可減小30％～50％，同時(shí)可節(jié)能15％～45％，還可以起到穩(wěn)定運(yùn)行的作用。12/28/202217材料學(xué)院王浩任101596（3）在建筑方面的應(yīng)用有關(guān)資料顯示，社會一次能源總消耗量的1／3用于建筑領(lǐng)域。提高建筑領(lǐng)域能源使用效率，降低建筑能耗，對于整個社會節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境都具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會影響。利用相變儲能建筑材料可有效利用太陽能來蓄熱或電力負(fù)荷低谷時(shí)期的電力來蓄熱或蓄冷，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動幅度減弱、作用時(shí)間被延遲，從而降低室內(nèi)的溫度波動，提高舒適度，以及節(jié)約能耗。12/28/202218材料學(xué)院王浩任101596目前,關(guān)于相變材料的研究和應(yīng)用還有很多工作要做,它們的分子結(jié)晶態(tài)及能量的轉(zhuǎn)變過程機(jī)理還有待進(jìn)一步探明,其熱性能、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高。但是,由于其相變過程獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),可以預(yù)見,固—固相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域?qū)⑹呛苡袘?yīng)用前途的一類相變材料,相變墻體的出現(xiàn)將對儲能材料的建筑節(jié)能有很大的推動作用,使居民住房逐漸走向綠色環(huán)?；Ｍ瑫r(shí)由于礦物具有天然多孔性能,固—固相變儲熱材料也將和礦物有更緊密的結(jié)合。相變儲能材料今后研究的方向主要有:①研制出系列相變溫度范圍的固—固相變材料;②如何改善相變材料的導(dǎo)熱性能和相變速率;③如何根據(jù)相變機(jī)理提高其相變焓,研制出高能量密度的相變材料;④掌握相變材料之間的復(fù)合原則,以及如何復(fù)合來提高材料的性能以彌補(bǔ)不足;⑤開發(fā)多功能相變材料,如導(dǎo)電相變材料、可微波加熱的相變材料、防水相變材料、可殺菌防蟲蛀的相變材料、形狀記憶相變材料等;⑥降低成本,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。12/28/202220材料學(xué)院王浩任101596參考文獻(xiàn)《上海建材》—