相变储能材料

相变储能材料的研究

摘要：相变储能材料对于能源的开发和合理利用具有重要的意义，在太阳能利用及工业余热回收方面有显著的优点。综述了固—固相变，固—液相变储能材料的特性及应用，及它们的优缺点。探讨了这方面的发展方向，展望了储能技术市场化应用的前景。

关键词：相变材料 储能 固—固相变 固—液相变

引言：今年来，相变储能材料成为了国内外研究的热点，相变储能技术可以解决能量问题，能提高能源的利用率。相变储能材料是指在其物相的变化中可以从环境中吸收或放出热量，从而达到储能和释放能量的目的。利用此性质，可以在太阳能，工业余热，电力的“移峰填谷”与民用的建筑及空调的节能领域制造出各种提高能源利用率的设施。同时由于在相变的过程中，温度的几乎恒定，因此也可以用于调节周围环境的温度，并且可以反复使用。由于相变材料的应用十分广泛，它已成为人们日益重视的新型材料。

相变储能材料根据相变形式、相变过程主要分为固—固相变、固—液相变储能材料。按相变温度范围分为高温、中温、低温储能材料。通常相变储能材料是由多组分组成的，包括主储热剂，变相点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进剂等。

固—固相变储能材料

目前开发的固—固相变储能材料中，多元醇在实际应用中较多。这类相变材料主要有PE、PG、NPG等。低温时他们具有高对称的层状体心结构，同层分子以范德华力连接，层与层直接由—OH形成氢键连接，当达到固—固相变时，将变为低对称的面心结构，同时氢键会发生断裂，分子发生由晶态变为无定形态的转变，放出氢键的能量。若温度继续升高，则转化为液态，但是要发生固—液相变所须温度很高，所以发生固—固相变后仍温度仍有很高的上升幅度而不至于发生固—液相变。所以在储热的过程中体积变化很小，对封装的技术要求不是很高，固—固相变的热较大，大小与分子中含的羟基数目有关，分子中的羟基数目越多，则相变过程中的焓变越大。

几种多元醇的相变温度和相变热见下表：

表1

名称 PE PG NPG

分子中羟基数目

4 3 2

相变温度/℃

188 81 43

相变焓J/g

323 193 131

熔点/℃ 260 198 126

多元醇的相变温度较大，所以限制了其使用性，只有增大相变稳定范围，满足各种情况下对储热温度的要求才能让其有是用性。为了达到这个要求可以将多元醇的两种或三种按不同比例混合，调节相变温度。不同种类和不同比例的多元醇的混合体系其相变温度和焓变有较大变化，其中加入TMP所形成的PE—TMP体系最为好。

多元醇二元体系的转变温度和转变焓见下表：

表2

组分 PE PE—TM PE—NGP

PE% 100 50 25 50

PE—PE

50 72

相变温度℃

188 48 119 169 123 149

相变焓KJ/mol

36.8 125.4 5.56 10.17 22.3 28.8

多元醇相变材料有使用寿命长、相变焓大、无液相产生、体积变化小等优点。

固—液相变储能材料

目前固—液相变储能材料比固—固相变储能材料更成熟，主要有无机水合盐和有机物。 无机储能材料

无机水和盐有较大的溶解热和固定的熔点，是低中温相变中的重要材料，主要有结晶水和盐、熔融盐、金属和金属合金等。使用较多的主要有碱及碱土金属卤化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、醋酸盐等。但是这类材料易出现“相分离”和“过冷”的现象。“相分离”现象是指多次反复使用后，材料中的盐和水分离，有部分盐步溶于结晶水而沉在底部，形成分离现象，导致储能能力下降，缩短了使用周期。如果加入增稠剂和晶体结构改变剂后就能解决该问题。“过冷”现象是指物质到达冷凝点并不结晶而是要到冷凝点一下才会发生，这样会导致相变温度发生变化。要防止“过冷”现象常选用过冷倾向、熔点比相变材料略高、组成与性质接近相变材料的化合物。

常用无机水和盐相变材料见下表：

表4 相变材料 硫酸钠

熔点/℃ 32.4

熔解热J/g 250.8

防过冷剂 硼砂

防相分离剂 高吸水树脂

十二烷基苯磺酸钠

醋酸钠

58.2

250.8

Zn(OAc)2 Pb（OAc）2

氯化钙

29

180

BaS CaSO4

磷酸氢二钠

35

205

硼砂、石墨

明胶、树胶 阴离子表面活性剂 二氧化硅、膨润土、

聚乙烯醇 聚丙烯酰胺

为了适合应用要求，需加入柔软剂如硅酸钠、甘油等；为调节相变温度可以采用混合相变材料。 有机储能材料

有机相变储能材料常有高级脂肪烃类、醇类、芳香烃类、多羟基碳酸类等。另有高分子类、聚烯烃类、聚烯醇类、聚烯酸类。其中典型的有尿素、CFC、PE、PEG、PMA、PA等。

一般说来同系有机物的相变温度和相变焓会随着碳链的增加而增大，这样就可以得到具有一系列的相变温度储能材料，但是随着碳链的增加，温度的变化值会逐渐减小。由于高分子化合物类的相变材料是具有不同分子量的混合物组成的，并且由于分子链较长，结晶并不完全，因此它的相变过程有个熔融温度范围。

有机相变储能材料有固体成型好、不易发生“相分离”和”过冷”的现象，腐蚀性小、性能稳定等优点。

目前，为了克服固—液相变储能材料流动性的缺点，出先了很多形状稳定的固—液相变材料。即在相变过程中，外形可以保持固态，而不流动。这类材料主要是在有机物中加入高分子树脂类，如聚乙烯、聚苯乙烯等。 结论及展望：

如果在水泥中加入这些材料，这样的水凝就能在建筑中有很大的前景，因为它可以合理的利用太阳能，在外面温度高的时候可以将能量储存起来，到温度低的夜晚将能量释放，保证室内的温度稳定，使室内更加舒适，同时可以减少空调的使用，减少大气污染。但是如何保证材料能够长期使用是一个很重要的问题包括循环使用过程中的性能退化问题，相变材料从机体中泄漏等。如果能够合理解决，这种水泥在市场上会有佷大的竞争力。

随着人们生活水平的提高，人们对周围环境的要求也会越来越高，对环境保护、节约能源、减少污染的要求也会逐渐提高，多以对储能技术的需要也会更强烈。这样必然会是储能技术更快的发展。因此，在不久的将来，储能材料会有很大的市场，会获得更为广泛的应用。 参考文献：

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