相变材料的研究及应用

侯耀峰 陈轩伟 张祎倩（厦门大学嘉庚学院，福建龙海 363112）



相变材料的研究及应用

侯耀峰 陈轩伟 张祎倩
（厦门大学嘉庚学院，福建龙海 363112）

【摘要】从上个世纪70年代能源危机引发的全球危机以来，环境污染的现象日益严重，世界发达国家开始研究能源开发技术来提高能源利用率，而相变材料在能源利用率方面得到了很多应用，是能源利用及保护环境的一个重要研究方向。相变材料的研究及应用可以帮助缓解现今能源供给与需求之间的矛盾，在能源、建筑、纺织服装、温室种植等方面都有着很大的应用前景［1］，是现代重点研究的一个领域。本文介绍了相变材料的研究背景，然后列出了以聚乙二醇，水，膨胀石墨的混合液体为样进行的实验过程，得出结论确定了这种混合液体的储能性能。

【关键词】能源 太阳能 相变材料

1 研究背景

随着社会的不断发展、现代化建设的不断推进，人类生活对能源的需求更加广泛，从某些方面而言，现代人类生活的方方面面已经离不开能源的存在。因此，能源开发、能源技术的发展已经成为了一个全世界、全人类一同关心的重要问题。自然界中的能源在人类的不断开发下已经不再充裕，而天然能源的不可再生性使得人类必须寻求新的能源，发展新的能源开发技术来替代非再生能源。科学发展观思想，是中国政府加快发展现代能源产业的指导思想，中国坚持节约资源和环境保护的基本国策，贯彻落实可持续发展战略，建设创新型社会，为维护世界能源安全发挥了重要的作用。

在工业生产过程中，通常会有大量的反应热量未能得到利用就浪费，而在需要供应热量的反应中又有大量的余热被损失，这些都是在化学反应中我们希望避免的现象，因此，我们需要找寻一种材料，这种材料能随着温度的变化而改变物质状态并提供潜热，即当反应时，材料能将这些没有利用的热量或冷量储存起来，当反应需要时再将其释放出来，这种材料，我们称其热储能材料。几十年来，人们对热能储存材料的广泛研究已经使这种材料得到大量应用，并逐渐成为了一种重要的新型材料。

当今困扰人类的环境问题中，全球变暖问题越来越突出，节能减排已经成为了社会建设的一大重点审查方面，因此我们必须加速新能源的开发及应用。目前，冬天在北方地区采取的是集中供暖的政策，这是出于北方的寒冷气候、能源状况及居民生活习惯等因素而实施的，而南方地区却没有实施这一政策，主要是因为南方冬季有充足阳光，气候较北方温暖，经全方位审核尚不需要集中供暖，而且一旦南方也采取集中供暖的政策，国家每年的能耗将大大增加，二氧化碳、二氧化硫及烟尘排放量也将急剧上升，环境污染将进一步加剧。因此对于南方居民来说，更现实的选择是采取其他的供暖方式，而在现今的众多取暖方式中，太阳能地暖供热系统成为了首选，太阳能是一种可再生能源，采用这种方式的取暖，既节省了资源又保护了环境［2］。在相变材料研究中，我们初步确定乙二醇，水，膨胀石墨的混合液体具有这种优于水的性能，通过一系列实验，我们将验证这一事实，从而能将这种混合液体用于太阳能地暖供热系统中。

2 实验部分

2.1 实验材料

相变材料聚乙二醇（PEG），水，相变材料膨胀石墨（EG）。

2.2 实验步骤

（1）相变材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15—20之间。粘度为12—16之间。放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C（见表1）。

（2）相变材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15—20之间。粘度为12—16之间。加热至60°C后的散热时间：（见表2）

（3）相变材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15—20之间。粘度为12—16之间。放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C（见表3）。

（4）相变材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000.熔点为57°C。羟值为15—20之间。粘度为12—16之间。加热至60°C后的散热时间：（见表4）

（5）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C（见表5）。

（6）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。烧杯加热至°C后进行散热（见表6）。

（7）相变材料膨胀石墨（EG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C（见表7）。

（8）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。烧杯加热至60°C后进行散热。室温20.3°C（见表8）。

（9）水溶液200ml，放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C（见表9）。

（10）水溶液200ml，放于烧杯之中。烧杯加热至60°C后进行散热。室温20.3°C（见表10）。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

3 实验结论

经过以上实验可以得出结论：相变材料聚乙二醇相较于水而言，吸热过程较慢，同样散热过程也较慢，且相变材料聚乙二醇的熔点为57°C。当温度达到57°C时发生相变。相变材料膨胀石墨相比水来说，吸热过程较快，散热也较快。而当这三种溶液混合后，能较好的达到吸热过程比较快，同时散热过程较慢的的效果。经过多次反复的实验，发现聚乙二醇13%膨胀石墨9%为三种溶液的最佳配比。

太阳能是一种可再生能源，且绿色无污染，是一种较为重要的能源，被认为拥有较好的应用与发展前景。但太阳能不具备稳定性：在夜间无辐射，且在不同的天气、时间、季候都将有不同的辐射量，因此，专家一直致力于太阳能的储存及释放。而相变储能材料却能在太阳能的研究中得到利用。本论文所验证的相变材料聚乙二醇，水，膨胀石墨的混合液体就可很好的应用在太阳能地暖供热系统中。除此之外，这一相变材料还拥有广阔的应用前景，值得更多研究。

参考文献：

［1］张静，丁益民，陈念贻.相变储能材料的研究及应用［J］.盐湖研究，2005，03：52-57+21.

［2］周建伟，刘星.相变储能材料的研究及应用新进展［J］.河南化工，2007，10：7-10.