相變儲能材料的分類及應用探究

許卓新

（北京 100000）

隨著人類社會的發展，能源問題越來越重要。在各種提升能源效率的手段中，儲熱技術（thermal energystorage technology，TES）受到了人們的特別關注。儲熱技術分為潛熱、顯熱和化學反應儲能三種類型。其中，潛熱儲熱技術因儲熱熱效率高、儲熱密度大等優點更是得到了廣泛的關注，在相變材料領域應用尤為廣泛。相變材料的特點是隨著溫度的改變會發生相變，并在這一過程中進行熱量的吸收和釋放。相變材料現在被廣泛地應用于工業廢熱回收、建筑節能、電力消峰填谷、太陽能利用、軍事工程、航空航天等領域。發現潛熱值更高的相變材料的同時，如何提高相變系統的效率也是要考慮的問題。

1 相變材料的分類

1.1 按相態變化分類

相變材料按照相變類型分類可以分為液—氣、固—氣、固—液、固—固四種類型。其中，固—氣、液—氣這兩種類型雖然可以儲存大量的熱，但卻因為涉及到氣的產生，使整個反應體系增大；并且因為氣體的生成導致密封條件大大增加，使設備更加復雜，使用起來極為困難。

固—液相變材料的優點是相變溫度廣，容積儲熱密度大，相變的潛熱值大。但由于其相變過程中涉及液體，應用時應作密封處理，防止其泄漏，因而成本會大大增加。常見的固—液相變材料有無機水合鹽、熔融鹽及一些復合相變材料等。李鳳艷等在實驗中運用Na2SO4·10H2O，將其作為主要相變材料，并使用適量的增稠劑羧甲基纖維素鈉(CMC)，其相變溫度低，儲熱值較高，具有良好的穩定性。固—固相變材料中無液體和氣體產生，故密封要求相比其余三種相對較低；且固—固相變材料反應體積小，儲能密度大，因而在相變材料的應用領域中的是主要研究對象。但因為其成本高、傳熱能力差、不穩定、有潛在的毒性和可燃性，故其應用范圍不及固—液相變材料廣泛。但固—固相變材料研究時間較短，因而仍有很大的研究價值。

1.2 按組成成分分類

按組成成分劃分，相變材料可以分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料三大類。有機相變材料跟無機相變材料相比無過冷現象，有較強的穩定性，并且與其它材料的相容性很好。但是其易燃，毒性較強，同時導熱系數低；而無機相變材料制備成本低，同時有較大的儲能密度，相變過程體積變化小（存在氣體的情況除外）。其缺點除存在過冷現象，還具有一定的腐蝕性；復合相變材料是兩種或兩種以上的相變材料的復合，由兩種或者兩種以上的材料構成。復合相變材料與傳統相變材料相比，具有明顯的熔點，儲能密度高，但因其為混合體系或低共熔體系，故缺少熱物性參數。

2 相變材料的應用

相變儲能材料在許多領域內有著重要的應用，如建筑領域，太陽能領域等。相變儲能材料在具體應用時主要是用到潛熱儲熱技術，但在具體應用中需要封裝技術。因為相變材料在使用時為了更好的發揮導熱作用，需要將其滲入多孔基質，此時必須通過封裝技術使得基體密封，以防止相變材料泄漏。

2.1 相變材料在建筑領域的應用

建筑材料耗能很高，因此建筑節能成為了人們研究的重點，將相變儲能材料運用于建筑供暖，制冷等領域逐漸成為人們研究的重點。

由相變材料制成的天花板和地板，在建筑行業有很大的發展潛力。這種采暖方式的優點在于室內地板和天花板的面積較大，熱量分布散發，使溫度均勻分布。儲能地板和天花板由相變材料制成，使地板和天花板的表面溫度波動相對較小，從而大大簡化了溫度控制系統。

相變材料在供電系統中可以解決電能在時間和空間上的分布不均勻。由于相變儲能材料的儲熱密度和潛熱值很大，可以有效的提升電能的利用；相變材料還可用于空調系統，提高制冷機組的效率，下文中會具體提及。將相變材料運用于建筑領域，雖然可以降低維護成本，但成本高是阻礙其發展的原因。

2.2 相變材料在太陽能領域的應用

隨著科技的發展，能源的地位變得越來越重要。太陽能具有清潔、無污染、可以長久開發等優點；缺點是照射到地球的能量密度低，受到天氣、地理、季節等諸多因素影響，導致其具有非連續性和不穩定性。這些缺點是制約太陽能發展的主要問題。將相變材料運用于太陽能領域，具體實現方式是當太陽能充足的時候，多余的能量可以儲存在相變儲能裝置中。當太陽能不足時，再將其釋放出來，便于能量連續穩定地供給于生產生活。

2.3 相變材料在航天領域中的應用

太空中的環境極端惡劣，需要對航天員和航天器材進行十分嚴格的保護。一般的材料無法承受，而相變材料可以克服這些困難。具體原理是：相變材料可以將設備與外界相隔，作為設備與外界的保護層。當外部溫度上升到相變材料的熔點時，相變材料熔化并吸收與熔化潛熱相當的熱量；當外部溫度因內部或外部原因而下降時，相變材料恢復到基態，并放出熱量，從而保持內部設備的穩定運行。

2.4 相變材料在制冷設備中的應用

傳統制冷設備一般采用壓縮機制冷技術，如空調、冰箱、冷庫。不僅耗電、效率低、而且制冷液泄露會污染環境。蒸汽壓縮式制冷主要基于液體蒸發吸熱這一理論，將相變材料應用于蒸汽壓縮制冷中的制冷液，能明顯減小冷凍空間內的溫度波動，延長制冷時間，大幅度提高制冷效率。適當的相變材料還可以防止環境的污染。半導體制冷是一種基于溫差電現象和帕爾貼效應為基礎的制冷方法。雖然關于人們對這種制冷方法已經研究了好多年，但依然存在半導體制冷系統溫度波動大這個問題。相變材料可利用相變潛熱儲能，減小冷凍空間內的溫度波動，從而解決這個問題。

3 結語

相變儲能技術的諸多優點，例如高潛熱值，高儲能密等度使其成為現代材料學發展的重要方向和能源領域提高能源利用效率的有效手段之一。但相變材料也存在一些缺點，比如成本高、制備方法復雜、原料難以獲得，可逆性和穩定性還需進一步提升，相變潛熱還需提升。相變儲能體系中不單單只有相變材料，其整個裝置也起到關鍵的作用。相變儲能裝置目前最大的問題是體積過大、效率過低和封裝技術的不完善。未來，新型相變材料的發展需要向著高潛熱，高儲熱密度的固—固型低溫相變儲能材料進行發展；同時，相變裝置應向著小體積高效率的方向發展，針對相變儲熱建立數學模型，通過實驗結合數值找出對儲能裝置的優化處理，提升封裝技術，如用氣凝膠作為裝置夾層。氣凝膠的導熱率可達0．02W/m·K，可很好地降低儲能裝置中的能量損失。