相变储能材料及其应用 • 相变材料（ Phase Change Material, PCM ） 是 指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质 • PCM 在相变化过程中，可以从环境吸收热（冷） 量或向环境放出热（冷）量，从而达到热量存储 和释放的目的，存储和释放热量的能力为相变材 料的潜热 • 以生活中最常见的水为例，当温度低至 0°C 时， 水由液态变为固态（结冰）；当温度高于0°C 时 水由固态变为液态（溶解） • 在水结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而 在冰溶解过程中吸收大量的热能量冰的数量 （体积）越大，溶解过程需要的时间越长 概述：概述： 人类对能源的需求日益增加 ,对能源的利用也存在着 严重浪费 . • 如何开发出新的能源以及提高利用率已经成为非 常紧迫的问题 • 由于能源的供应和需求在很多情况下都有很强的 时间依赖性 ,为了合理利用能源 ,人们常需要把暂 时不用的能量储存起来 ,在需要的时候再让它释放 出来 • 因此 ,大力研究和发展储能材料(PCM) ,是节约能 源的一个重要手段 • 按所储能量的特点 ,储能材料可分为: • 储热材料和储冷材料 • 储能材料按储能的方式大体分为: • 显热储能、潜热储能和化学反应储能三大类。
• 显热储能材料虽然在使用上比较简单方便 , 但是其材料自身的温度在不断变化 ,无法达 到控制温度的目的 ,并且该类材料储能密度 低 ,从而使相应的装置体积庞大 ,因此其应用 价值不是很高 • 什么是显热？ • 物体在加热或冷却过程中，温度升高或降 低而不改变其原有相态所需吸收或放出的 热量，称为“显热显热” • 它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常 可用温度计测量出来如将水从20℃的 升高到80℃所吸收到的热量，就叫显热 • 化学反应储能是利用可逆化学反应的反应热 来进行储能的 这种方式的储能密度虽然较 大 ,但是技术复杂并且使用不便 • 反应热反应热 • 化学反应过程中放出或吸收的热量，通常叫 做反应热 • 当反应热为负值为吸热反应； • 当反应热为正值为放热反应 • CaO＋H2O=Ca(OH)2 +64.9kJ 而潜热储能是利用材料在相变时吸热或放热来储能 或释能的 ,这种材料不仅能量密度较高 ,而且所用 装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于 管理 • 它还有一个优点:即这类材料在相变储能过程中 , 材料近似恒温 ,可以以此来控制体系的温度 • 在这三大类储能材料中 ,相变储能材料的潜热储能 最具有实际发展前途 ,也是目前应用最多和最重要 的储能方式。
• 潜热潜热 • 物质发生相变（物态变化），在温度不发 生变化时吸收或放出的热量叫作“潜热” 物质由低能状态转变为高能状态时吸收潜 热，反之则放出潜热 • 例如，液体沸腾时吸收的潜热一部分用来 克服分子间的引力，另一部分用来在膨胀 过程中反抗大气压强做功熔解热、汽化 热、升华热都是潜热 众所周知，水在结冰的过程中是有冰又有水， 也就是冰水混合物，此时的温度是0摄氏度， 而水在结冰的过程中是在释放能量的，这 个能量就是水的结晶潜热！ 因此结晶潜热是指在温度保持不变的情况下, 单位质量的物质从液态转变到固态时所释 放出的热量 • 潜热储能按照相变的方式一般分为 4 类: • 固 —固相变、 • 固 —液相变、 • 固 —气相变 • 液 —气相变 • 由于后两种相变方式在相变过程中伴随有大量气 体的存在 ,使材料体积变化较大 ,因此尽管它们有 很大的相变焓 ,但在实际应用中很少被选用 • 因此，固—固相变和固 —液相变是重点研究的对 象 • 建筑耗能是能源浪费的一个重要方面 ,全世界有 30 %的能源消耗在建筑物上在我国 ,既有建筑 近400 亿 平方米 ,95 %以上是高能耗建筑 ,单位建 筑面积能耗是气候相近发达国家的 3 倍。
• 将储能材料应用于建筑 ,可以提高建筑物热容量 , 充分利用太阳能和夜间低价电能从而提高建筑节 能及室内舒适度 因此 ,从可持续发展和能源发展战略出发 ,如何在满 足使用者舒适度的基础上 ,提高建筑对能源的利用 效率 ,更好地利用自然能源 ,同时降低对外界的影 响 ,亦即建筑节能的问题 1 相变储能材料的研究进展 • 相变材料的筛选和改进 • 选择相变材料应遵循以下原则:较高的储热能力 , 合适的相变温度 ,吸热和放热时温度变化尽可能 小 ,生态友好 ,无毒 ,100 %的可循环 ,使用寿命长 , 在相变过程中性能稳定 ,易于操作 • 美国 Dow 化学公司对近 2 万种相变材料进行了 测试 ,发现只有1 %的相变材料可以进一步研究 , 它们为合适熔点的水合盐以及一些有机相变材料 • 相变储能材料专用蜡相变储能材料专用蜡 • 性能与用途：本产品是由一些烃类组成， 主要用于新型定形相变材料的特种蜡相 变材料是在某一温度范围内吸收或放出热 量，从而达到能量储存和可控释放的材料 • 传统的相变材料是通过固液相变进行能量 储存和释放，储能时材料为液态，必须容 器密闭封装不仅易泄漏，增大了传热介 质和相变材料间的热阻，而且其材料中含 有有机碱、无机酸、水等成份，有一定腐 蚀性。
将相变材料（石蜡）以小颗粒状分散在固体 支撑材料中形成的，在相变温度段不会熔 融或变形，保证形状的稳定性相变材料 微粒在固液相变过程中吸收或释放潜热， 因此在相变温度段有很大的表观比热 项目 20# 35# 试验方法 熔点 ℃ 17.5-22.5 32.5-37.5 GB/T2539 正构烃含量,% ≥90 ≥90 高温气象色 谱 折光指数 1.420- 1.450 1.420-1.450 阿贝折射仪 2 相变储能材料在建筑中的应用 • 储能材料应用于建材的研究始于 1982 年 , 由美国能源部太阳能公司发起1988 年由 美国能量储存分配办公室推动此项研究 • 20 世纪 90 年代以PCM 处理建筑材料(如石 膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发展起 来 • 随后 ,PCM 在混凝土块、石膏墙板等建筑 材料中的研究和应用一直不断发展 ,其发展 的主要目的是增强轻质结构的热容 复合 PCM 具有普通建材无法比拟的热容 ,从 而可以改善建筑物的热舒适性 ,节省能源 相变储能建筑材料应该满足: -能够吸收和释放适量的热能; -蒸汽压力低; -能够和其他传统建筑材料同时使用; -不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建 筑材料; -能够用标准生产设备生产; -在经济效益上具有竞争性。
例如：一种装有相变储能材料的玻璃窗 ,填充相变材 料的双层玻璃窗比填充空气的同种玻璃窗的热效 应要好得多 研究结果表明 ,在供暖或制冷系统停止后的延续时间 里 ,用吸收了相变材料的灰泥板做墙板的房子里 , 室温能够保持在热体感到舒适的范围内 此外 ,含有 PCM 的建筑材料还可以防止道路桥梁、 飞机跑道等在冬季深夜结冰 3 相变材料置入建筑材料的工艺 (1) 将 PCM 密封在合适的容器内 •如可将装有水合盐 PCM 的金属管置入混 凝土构件中 ,以提高建筑物结构的热容 ,从 而在夏季对室内起到降温作用 •但是水合盐 PCM 具有腐蚀性 ,这种方法 对容器的要求很高 ,而且容易泄漏 • (2)将 PCM 密封后置入建筑材料中 • 日本的将 PCM 压入交联聚乙烯中制成PCM 小球 然后再把这种 PCM 小球加到其他多孔材料 ,如石 膏板中 ,从而得到具有储热能力的 PCM石膏板 • 近年来得到迅速发展的微胶囊包封 PCM技术也属 于这一种 • 微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体 PCM 包覆形成微小粒子的技术 ,在医药、化妆品和食品 等方而都已有实际应用和较深入研究 用高分子材料作囊壁材料 ,相变材料作囊心材 料 ,制成微米或毫米级的小颗粒。
微胶囊技术的优势在于形成微胶囊时 ,囊心被 包覆而与外界环境隔离 ,它的性质可以毫无 影响地保留下来用微胶囊法制成的相变 材料为固体粉末 ,有利于使用、运输和保存 但是 ,微胶囊囊壁材料价格较高 ,尤其是微胶 囊技术的复杂性 ,使得微胶囊法只适合于某 些领域 (3) 通过浸泡将 PCM 渗入多孔的建材基体 最大的优点是工艺简单 ,易于对已有的建筑材料改 进 ,可以使传统的建筑材料按要求变成 PCM 建材 20 世纪 70 年代有人就用直接浸泡法制备了相变储 能混凝土例如，利用浸入了硬脂酸丁酯的相变 墙板 ,可使房间的最高温度下降 4 ℃ Kaasinen 通过对不同建筑材料吸收相变材料的能力 做了比较得出 ,虽然直接浸泡法所制备的相变储能 复合材料 ,储能密度有较大提高 ,但是相变材料与 基体材料的相容性问题始终难以有效解决 (4)将 PCM 直接与建筑材料混合 如将 PCM吸入半流动性的硅石细粉中 ,然后掺入建 材中 这种直接混合方法的好处在于结构简单 ,性质更均 匀 ,更易于做成各种形状和大小的建筑构件 ,以满 足不同的需要 Feldman 等通过两种方法制作相变储能石膏板。
第 1 种方法是将普通石膏板浸泡在相变材料溶液中 得到 第 2 种方法是在制作石膏板的过程中 ,加入 PCM 其中第二种方法得到的 PCM 分布均匀 ,蓄热 效果良好目前 ,该种方式成为贮热 PCM 在建筑节能方面研究的热点课题 我国在十二五科技攻关计划中已经列入了关 于制造相变储能石膏板材料及其集成系统 • 现存问题是相变复合材料的经济性以及其耐久性 问题 • 相变复合材料的经济性问题是制约其广泛应用于 建筑节能领域的障碍 ,表现为各种相变材料及相变 储能复合材料价格较高 ,导致单位热能的储存费用 的上升 ,失去了与其他储热方法的比较优势 • 今后的研究方向为选取性能更好的封装容器和载 体基质 ,防止过冷和相分离的新方法 ,改善相变材 料的导热性能 ,提高复合材料的性能 ,利用高温相 变材料实现空间太阳能热动力发电 4 PCM的其它应用 （1） 太阳能利用 • 太阳能领域是目前 PCM应用的最主要领域之一 , 其基本原理示意图 • 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 PCM 中 ,PCM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 ,PCM 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 ,PCM发生相变 ,释放 能量 • 基于此种用途还制备了大量的特殊 PCM,主要是微 胶囊化封装的石蜡、高级醇、高级烷烃等 如中国科学院 深圳先进技术研究院的一项专 利技术，用于调节室内的温度，从而减少 对空调（耗电）的依赖 若干种盐的水溶液，放于玻璃瓶或其它容器 中 白天室内气温高时，盐溶解，吸收热量 夜晚室内气温低时，盐结晶，放出热量 Reddy 建立的基于 PCM(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 ,PCM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 ,温度基本 恒定，降温小于2 ℃ Dariusz H 等 将 PCMs(脂肪酸)加入到石膏板 中（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 将 (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。