相变储能材料的分类及应用探究

许卓新

（北京 100000）

随着人类社会的发展，能源问题越来越重要。在各种提升能源效率的手段中，储热技术（thermal energystorage technology，TES）受到了人们的特别关注。储热技术分为潜热、显热和化学反应储能三种类型。其中，潜热储热技术因储热热效率高、储热密度大等优点更是得到了广泛的关注，在相变材料领域应用尤为广泛。相变材料的特点是随着温度的改变会发生相变，并在这一过程中进行热量的吸收和释放。相变材料现在被广泛地应用于工业废热回收、建筑节能、电力消峰填谷、太阳能利用、军事工程、航空航天等领域。发现潜热值更高的相变材料的同时，如何提高相变系统的效率也是要考虑的问题。

1 相变材料的分类

1.1 按相态变化分类

相变材料按照相变类型分类可以分为液—气、固—气、固—液、固—固四种类型。其中，固—气、液—气这两种类型虽然可以储存大量的热，但却因为涉及到气的产生，使整个反应体系增大；并且因为气体的生成导致密封条件大大增加，使设备更加复杂，使用起来极为困难。

固—液相变材料的优点是相变温度广，容积储热密度大，相变的潜热值大。但由于其相变过程中涉及液体，应用时应作密封处理，防止其泄漏，因而成本会大大增加。常见的固—液相变材料有无机水合盐、熔融盐及一些复合相变材料等。李凤艳等在实验中运用Na2SO4·10H2O，将其作为主要相变材料，并使用适量的增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)，其相变温度低，储热值较高，具有良好的稳定性。固—固相变材料中无液体和气体产生，故密封要求相比其余三种相对较低；且固—固相变材料反应体积小，储能密度大，因而在相变材料的应用领域中的是主要研究对象。但因为其成本高、传热能力差、不稳定、有潜在的毒性和可燃性，故其应用范围不及固—液相变材料广泛。但固—固相变材料研究时间较短，因而仍有很大的研究价值。

1.2 按组成成分分类

按组成成分划分，相变材料可以分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料三大类。有机相变材料跟无机相变材料相比无过冷现象，有较强的稳定性，并且与其它材料的相容性很好。但是其易燃，毒性较强，同时导热系数低；而无机相变材料制备成本低，同时有较大的储能密度，相变过程体积变化小（存在气体的情况除外）。其缺点除存在过冷现象，还具有一定的腐蚀性；复合相变材料是两种或两种以上的相变材料的复合，由两种或者两种以上的材料构成。复合相变材料与传统相变材料相比，具有明显的熔点，储能密度高，但因其为混合体系或低共熔体系，故缺少热物性参数。

2 相变材料的应用

相变储能材料在许多领域内有着重要的应用，如建筑领域，太阳能领域等。相变储能材料在具体应用时主要是用到潜热储热技术，但在具体应用中需要封装技术。因为相变材料在使用时为了更好的发挥导热作用，需要将其渗入多孔基质，此时必须通过封装技术使得基体密封，以防止相变材料泄漏。

2.1 相变材料在建筑领域的应用

建筑材料耗能很高，因此建筑节能成为了人们研究的重点，将相变储能材料运用于建筑供暖，制冷等领域逐渐成为人们研究的重点。

由相变材料制成的天花板和地板，在建筑行业有很大的发展潜力。这种采暖方式的优点在于室内地板和天花板的面积较大，热量分布散发，使温度均匀分布。储能地板和天花板由相变材料制成，使地板和天花板的表面温度波动相对较小，从而大大简化了温度控制系统。

相变材料在供电系统中可以解决电能在时间和空间上的分布不均匀。由于相变储能材料的储热密度和潜热值很大，可以有效的提升电能的利用；相变材料还可用于空调系统，提高制冷机组的效率，下文中会具体提及。将相变材料运用于建筑领域，虽然可以降低维护成本，但成本高是阻碍其发展的原因。

2.2 相变材料在太阳能领域的应用

随着科技的发展，能源的地位变得越来越重要。太阳能具有清洁、无污染、可以长久开发等优点；缺点是照射到地球的能量密度低，受到天气、地理、季节等诸多因素影响，导致其具有非连续性和不稳定性。这些缺点是制约太阳能发展的主要问题。将相变材料运用于太阳能领域，具体实现方式是当太阳能充足的时候，多余的能量可以储存在相变储能装置中。当太阳能不足时，再将其释放出来，便于能量连续稳定地供给于生产生活。

2.3 相变材料在航天领域中的应用

太空中的环境极端恶劣，需要对航天员和航天器材进行十分严格的保护。一般的材料无法承受，而相变材料可以克服这些困难。具体原理是：相变材料可以将设备与外界相隔，作为设备与外界的保护层。当外部温度上升到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收与熔化潜热相当的热量；当外部温度因内部或外部原因而下降时，相变材料恢复到基态，并放出热量，从而保持内部设备的稳定运行。

2.4 相变材料在制冷设备中的应用

传统制冷设备一般采用压缩机制冷技术，如空调、冰箱、冷库。不仅耗电、效率低、而且制冷液泄露会污染环境。蒸汽压缩式制冷主要基于液体蒸发吸热这一理论，将相变材料应用于蒸汽压缩制冷中的制冷液，能明显减小冷冻空间内的温度波动，延长制冷时间，大幅度提高制冷效率。适当的相变材料还可以防止环境的污染。半导体制冷是一种基于温差电现象和帕尔贴效应为基础的制冷方法。虽然关于人们对这种制冷方法已经研究了好多年，但依然存在半导体制冷系统温度波动大这个问题。相变材料可利用相变潜热储能，减小冷冻空间内的温度波动，从而解决这个问题。

3 结语

相变储能技术的诸多优点，例如高潜热值，高储能密等度使其成为现代材料学发展的重要方向和能源领域提高能源利用效率的有效手段之一。但相变材料也存在一些缺点，比如成本高、制备方法复杂、原料难以获得，可逆性和稳定性还需进一步提升，相变潜热还需提升。相变储能体系中不单单只有相变材料，其整个装置也起到关键的作用。相变储能装置目前最大的问题是体积过大、效率过低和封装技术的不完善。未来，新型相变材料的发展需要向着高潜热，高储热密度的固—固型低温相变储能材料进行发展；同时，相变装置应向着小体积高效率的方向发展，针对相变储热建立数学模型，通过实验结合数值找出对储能装置的优化处理，提升封装技术，如用气凝胶作为装置夹层。气凝胶的导热率可达0．02W/m·K，可很好地降低储能装置中的能量损失。