相变储能材料的应用及研究进展

　第 26 卷第 8 期 高分子材料科学与工程 Vol. 26 ,No. 8 　2010 年 8 月 POL YMER MA TERIAL S SCIENCE AND EN GIN EERIN G Aug. 2010 相变储能材料的应用及研究进展 马素德 , 宋国林 , 樊鹏飞 , 黎宇坤 , 唐国翌 (清华大学深圳研究生院新材料研究所 ,广东 深圳 518055) 摘要 :对相变储能材料 ( PCMs)在太阳能、工业余热回收、建筑材料、空调蓄冷、电子器件、电池散热、化妆品、调温纤维等 方面的应用及最新进展进行了简短综述 ,其基本原理都是基于 PCMs 发生相变时吸收或者释放热量。指出 , PCMs 正成 为世界范围内的研究热点 ,材料、工艺、结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 等诸方面的研究人员应该大力合作 ,从而促进该领域更好发展。 关键词 :相变材料 ;储能 ;应用 ;进展 中图分类号 : TB34 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :100027555 (2010) 0820161204 收稿日期 : 2009207201 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50572045) ;科技部国际合作重点项目 (2008DFA51210) 通讯联系人 : 唐国翌 ,主要从事材料科学方面的研究 , 　E2mail : tanggy @mail. tsinghua. edu. cn 　　相变储能材料 (简称 PCMs)是一类特殊的功能性 材料 ,其能在等温或近似等温的情况下发生相变 (多数 为固液相变或气液相变) ,同时伴随有较大能量 (一般 称为相变潜热)吸收或释放 ,这个特点是该类材料具有 广泛应用的原因和基础[1 ] 。 文献中目前可查到的最早应用 PCMs 的实例是 1945 年美国波士顿郊区的一栋建筑物 ,其中结合经过 特殊设计的太阳能集热器使用了 21t 硫酸钠 (水合盐 类) ,成功使用了两年 ,第三年时其中的 PCMs 失效 ,暴 露了结晶水合盐类物质冷热循环性能差的劣势[2 ] 。 其后 ,PCMs 在日常生活[3 ] 、航空航天[4 ]等领域的研究 逐步开展起来 ,而近年来的研究热点主要集中在民用 , 比较典型的有以下几类。 1 　太阳能利用 太阳能领域是目前 PCMs 应用的最主要领域之 一 ,其基本原理示意于 Fig. 1。太阳能集热器收集到 的热量通过工作介质 (如水) 传输到箱体的 PCMs 中 , PCMs发生相变 (固态到液态) ,将多余的热量储存起 来 ;当太阳能不足时 , PCMs 再次发生相变 (液态到固 态) ,释放能量。此种装置可在昼夜甚至冬夏太阳光照 差别较大时保持供热的大致稳定。还有另外一种简化 的利用方式是不使用集热器 ,也不使用工作介质 ,而是 直接利用太阳光照射 PCMs 来储存能量 ,当气温降低 时 ,PCMs 发生相变 ,释放能量 ,基于此种用途还制备 了大量的特殊 PCMs ,主要是微胶囊化封装的石蜡、高 级醇、高级烷烃等[5～9 ] 。 　Fig. 1 　Schematic view of solar energy application optimized by PCMs 　　Reddy[10 ]建立的基于 PCMs (固体石蜡) 换热的太 阳能热水系统有优良的储能表现 ,系统上部为石蜡 ,下 部为水。研究发现 ,当石蜡厚度为 10 cm 时 ,PCMs 潜 热作用发挥得最好。这种系统还有一个特点是热散失 小 ,当水温保持在 50 ℃以上时 ,经过一夜时间 ,温度仅 仅下降 115 ℃～2 ℃。 Dariusz H 等[11 ]将 PCMs (脂肪酸) 加入到石膏板 作为室内 (试验模型) 贴面中实现储存太阳能的目的 , 能够降低房屋在需加热季节热需求的 90 %。 Shilei L 等[12 ]将 PCMs(癸酸/ 月桂酸)加入石膏墙 板中 ,可吸收室内外多余的热量 (主要是太阳能) ,气温 降低时释放出来 ,从而实现了对昼夜、冬夏太阳能的利 用。实验表明 ,装有这种相变墙板的房间与普通房间 相比 ,空调能耗大大降低 ,并可利用峰谷电价差减少经 济负担。但作者同时也提出 ,要将不同的相变材料应 用到不同的气候条件下 ,仍有大量的工作要做。 Guobing Z等[13 ]利用热焓模型对太阳能加热中使 用的 PCMs 混合石膏板及板状 PCMs 进行了数值评 价。结果表明 ,板状 PCMs 对温度变化反应更灵敏 ,最 佳相变温度为 21 ℃,相变温度范围越窄 ,热性能越好 , PCMs 能够有效的减小室内温度变化。 2 　工业余热回收 由于工业余热往往温度较高 ,达到数百摄氏度以 上 ,此时选用的 PCMs 多数为水合盐 ,利用其失水和吸 水来实现热量的存储与释放。因而 PCMs 在此领域的 应用一般还有个专门名称 ,即所谓的热化学[14 ]蓄能 , 但也可以理解为广义的相变。基本原理为 :高温气体 经过水合盐 ,后者发生分解 ,释放出水分 (气态) ,同时 吸收热量 ,高温气体失去部分热量温度降低 ,气态水分 在冷凝器中变为液态 ,完成所谓的加载阶段。水合盐 处于一个密闭空间中 ,水分不会散失。液态水接着被 较低温度的气体加热变为气态 ,气态水与上一阶段失 水后的水合盐反应重新生成含水的水合盐 ,释放出大 量的热 ,加热气体 ,完成卸载阶段。而中间过程则可称 为储能阶段。此情况下一种典型的存储介质是 Mg2 SO4·7H2O ,其同体积的热能存储密度可达水的 9 倍。 如果需要的相变温度更高 ,还可直接使用盐类作工作 介质 ,利用盐类的熔融/ 凝固相变储存、释放能量[15 ] 。 Shenglin W[16 ]等提出了一种由多孔镍基熔浸熔 融盐 Li2CO3 、Na2CO3 、K2CO3 等制备而成的新型复合 相变蓄热材料 , 重点研究了该材料的制备。并采用 X 射线衍射 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、扫描电镜和差热差重分析 , 研究了复 合蓄热材料的性能和结构。结果表明 ,最佳的复合时 间为 2 h～3 h ,最佳的复合温度为高于熔点 50 ℃～ 100 ℃。该种材料在工业余热回收方面应用前景良 好。 J in H[17 ]等研究了融盐 Na2 SO4 与石英质多孔陶 瓷预制体的自发熔融浸渗制备工艺 ,成功地制备出无 机盐/ 陶瓷基复合相变储能材料 ,观察和分析了该材料 的物相组成与显微结构特征 ,对该材料的各项热物理 性能和力学性能进行了测量。结果表明 ,自发熔融浸 渗工艺比混合烧结工艺更适合于制备无机盐陶瓷基复 合相变储能材料 ,其相变温度在 882 ℃左右 ,可应用于 工业余热回收。 3 　建筑材料 建材轻质化是当今社会建材发展的重要趋势 ,但 轻质建材带来的一个重大缺陷就是房屋保暖性变差 , 能耗增加 ,在建材中添加 PCMs 是解决这个问题的有 效途径之一[18～21 ] 。Fig. 2 是在轻型建材中添加 PCMs 的示意图 ,同样地 ,为了防止 PCMs 流失 ,使用了经过 封装的 PCMs 微囊。气温较高时 , PCMs 由固态变成 液态 ,吸收热量 ;气温降低时 ,PCMs 由液态变为固态 , 放出热量 ,从而使得室内外温度波动幅度降低 ,同时减 小空调能耗。研究结果表明 ,添加 PCMs 后建材表面 温度明显趋于平缓[22 ] 。 Xiaoming F 等[23 ]制备的 RT20 (是一种相变温度 为 23124 ℃的液态饱和烃) / 蒙脱石复合相变储能材 料 ,在 1500 次熔融2结晶循环实验中表现出很好的稳 定性 ,且该复合材料与石膏粉末有很好的相容性。所 制备的复合石膏板应用于轻质建材可大大降低室内空 气温度波动 ,从而减少房屋能耗。 　Fig. 2 　Schematic view of a light weight wall . The PCM micro2cap2 sules are in tegrated into the interior plaster 4 　空调蓄冷 蓄冷是一种利用峰谷电价差 (即电价处于谷位时 让压缩机制冷冰储存下来 ,而电价处于峰位时压缩机 不工作 ,靠储存的冷量用于空调)来减少大型空调花费 的技术 ,目前比较常用的是冰蓄冷和水蓄冷。前者储 能密度大 ,但制冷成本高 ;后者制冷成本较低 ,但储能 密度小 ,占地多。而 PCMs 具有较大的储能密度 ,制冷 成本又比冰低得多 ,有望大规模应用。此外 ,将 PCMs 微胶囊分散在载体中制成的相变浆 ( PCS) 还可直接用 于与空气的热交换 ,但微胶囊在长期的泵送过程中容 易发生破损 , Gschwander S 等[24 ]的工作改善了这一 点 ,其主要思路是通过共聚改善微胶囊壳材的韧性。 文越华等[25 ] 通过加入 KCl , N H4Cl , ( N H4 ) 2SO4 或 NaCl 降低了 Na2 SO4·10H2O 的相变温度 ;通过加入 成核剂和增稠剂有效地解决了 Na2SO4·10H2O 的过冷 和相分离问题。该材料相变温度在 10 ℃左右 ,在空调 261 高分子材料科学与工程 2010 年　 蓄冷中有很好的应用前景。 5 　其它 5. 1 　电子器件 Ravi K等[26 ]通过对输入功率、组件方向、稳定循 环条件下的熔化/ 结晶次数等参数的研究 ,得出结论 : 基于相变材料固体石蜡/ 高分子材料的合理设计是应 用到电子器件瞬时散热中的最佳候选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 5. 2 　电池散热 Andrew M 等[27 ]将石墨粉末加入有机 PCMs 中以 提高后者的导热性能 ,然后将该复合相变材料应用于 一种锂离子电池高速放电过程中的主动热处理系统 , 该系统的散热功能得到了有效的提高。但由于相变材 料成本高 ,目前未大量使用。 5. 3 　化妆品 唐国翌等[28 ]将 PCMs 添加到面膜基材上 ,使用时 面膜可在低温状态下保持较长的时间 ,从而其促进毛 孔收缩的效果更好 ,使用更方便。 5. 4 　调温纤维 专利 200610157441. 8 [29 ]公开了一种调温纤维的 制备 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,其在纤维素中添加了一定量的 PCMs 微囊 , 从而具有智能调温作用 ,其热稳定性及调温效果良好 , 相变材料不易泄露。用这种调温纤维制成的衣服、被 褥等具有一定的调温功能 ,穿着更舒适。类似的发明 还应用在宇航服中[4 ] 。 展义臻等[30 ]以液体石蜡作为芯材合成了环氧树 脂型相变微胶囊 ,并将其和海藻酸钠共混制备了相变 调温海藻纤维。可用作医用恒温绷带 ,可防止局部温 度过高 ,防止出汗引起的伤口感染 ,促进伤口愈合 ,也 可防止冻伤。 6 　结语 相变储能材料的研究正成为世界范围内的研究热 点 ,具有各种不同性能 (如不同的相变温度、不同的相 变焓值 ,不同的形状 ,不同稳定性等) 的 PCMs 正在快 速地被开发出来 ,并不断地为这些材料的应用拓展新 的领域。同时 ,针对某种应用领域 ,人们也在不断地设 计相变材料 ,来满足这一领域对材料性能的要求。材 料与其应用的相互促进在 PCMs 近年来的研究中表现 得非常明显。另一方面 ,针对某种应用领域的要求 ,不 仅要依靠材料研究人员本身的努力 ,还应该与工艺、结 构等方面的研究人员大力合作 ,使已有材料性能发挥 到最佳状态。 参考文献 : [1 ] 　LANE G A. 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It should be emphasized here that researchers of materials , technics and structure design et al. ought to cooperate intensively in order to promote the development of PCMs more efficently in the future. Keywords :phase change materials ; energy storage ; application ; development 461 高分子材料科学与工程 2010 年