相變材料與相變儲(chǔ)能技術(shù)

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1、相變材料與相變儲(chǔ)能技術(shù)王興華2011年7月主要內(nèi)容12345概述研究和應(yīng)用現(xiàn)狀相變儲(chǔ)能技術(shù)的原理和特點(diǎn)相變儲(chǔ)能材料結(jié)語(yǔ)第一節(jié)概述熱能儲(chǔ)存是能源科學(xué)技術(shù)中的重要分支。在能量轉(zhuǎn)換和利用的過(guò)程中，常常存在供求之間在時(shí)間上和空間上不匹配的矛盾，如電力負(fù)荷的峰谷差，太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能的間隙性，工業(yè)窯爐的間斷運(yùn)行等。由于儲(chǔ)能技術(shù)可解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段。能量?jī)?chǔ)存的方式包括機(jī)械能、電磁能、化學(xué)能和熱能儲(chǔ)存等。熱能儲(chǔ)存又包括顯熱儲(chǔ)存和潛熱(相變熱)儲(chǔ)存，顯熱儲(chǔ)存是利用材料所固有的熱容進(jìn)行的；潛熱儲(chǔ)存，或稱相變儲(chǔ)能，它是利

2、用被稱為相變材料的物質(zhì)在物態(tài)變化(固—液，固—固或氣—液)時(shí)，吸收或放出大量潛熱而進(jìn)行的。由于熱能儲(chǔ)存在工業(yè)和民用中用途廣泛，因此，在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位。相變材料(phasechangematerials，PCM)或稱相變儲(chǔ)能材料，它屬于能源材料的范疇。廣義來(lái)說(shuō)，是指能被利用其在物態(tài)變化時(shí)所吸收(放出)的大量熱能用于能量?jī)?chǔ)存的材料。狹義來(lái)說(shuō)，是指那些在固—液相變時(shí)，儲(chǔ)能密度高，性能穩(wěn)定，相變溫度適合和性價(jià)比優(yōu)良，能夠被用于相變儲(chǔ)能技術(shù)的材料。顯然，相變儲(chǔ)能(熱和冷)技術(shù)是以相變儲(chǔ)能材料為基礎(chǔ)的高新技術(shù)，因?yàn)樗鼉?chǔ)能密度大且輸出的溫度和能量相當(dāng)穩(wěn)

3、定，所以具有顯熱儲(chǔ)能難于比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前，相變儲(chǔ)能技術(shù)可作為工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)和高新技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，用以滿足人們對(duì)系統(tǒng)和產(chǎn)品的特殊性能及成本的要求。它可以利用電熱蓄能(冷和熱)來(lái)“電力削峰填谷”,也可用于新能源、工業(yè)余熱利用、新型家用電熱電器的開發(fā)及航空航天等領(lǐng)域。在新能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能等間歇性綠色能源利用方面，相變儲(chǔ)能技術(shù)也具有非常重要的作用。我國(guó)的能源利用率很低，大約30％以上，與發(fā)達(dá)國(guó)家的40％～50％相比，還有較大的距離。我國(guó)的環(huán)境保護(hù)還存在許多問題，因此，研究、掌握和利用一切可行的高新技術(shù)，包括相變儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)提高我國(guó)的能源利用率及改善環(huán)

4、境。是我國(guó)從事材料與能源工作的科技人員、企事業(yè)管理人員和工人的神圣職責(zé)，也是我們研究和應(yīng)用相變儲(chǔ)能技術(shù)的意義。第二節(jié)相變材料和相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀自20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后，熱能儲(chǔ)存技術(shù)在工業(yè)節(jié)能和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到重視。由于相變儲(chǔ)能元件及其構(gòu)成的儲(chǔ)能式換熱器的體積小，儲(chǔ)能密度大和熱慣性小，對(duì)它的研究和應(yīng)用已受到各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)的普遍重視。國(guó)際上已召開了多次有關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)研究及應(yīng)用專題會(huì)議，在新型儲(chǔ)能材料及應(yīng)用技術(shù)上亦取得顯著的進(jìn)展。美、英、法、德、日等國(guó)家在儲(chǔ)能技術(shù)研究及應(yīng)用上都制定了長(zhǎng)期的發(fā)展規(guī)劃。相變儲(chǔ)能材料是基礎(chǔ)，因此在相變儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)

5、域，首先是研究和開發(fā)相變潛熱大，性能穩(wěn)定和性價(jià)比高的相變材料。其次是應(yīng)用，主要涉及儲(chǔ)能元件，儲(chǔ)能換熱器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的相變傳熱，相變材料與換熱流體的對(duì)流耦合換熱，材料的腐蝕與防護(hù)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面。除了對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)水合鹽、有機(jī)和金屬相變材料進(jìn)行研究外，近年來(lái)，對(duì)新相變儲(chǔ)能材料的研制，存在從無(wú)機(jī)到有機(jī)、從單一成分到復(fù)合材料、從宏觀到納米／微膠囊化的趨勢(shì)，定形相變材料、相變材料的微膠囊化、功能儲(chǔ)能流體等及其在建筑、太陽(yáng)能等領(lǐng)域的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r：從20世紀(jì)70年代起1980年1989年對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)水合鹽、金屬等相變材料進(jìn)行了連續(xù)

6、和系統(tǒng)的研究和應(yīng)用美國(guó)Birchenall等提出采用合金作為相變材料，提出了三種典型狀態(tài)平衡圖和二元合金的熔化熵和熔化潛熱的計(jì)算方法。美國(guó)的Telkes對(duì)Na2S04·10H2O等水合鹽相變材料做了大量研究工作，并建起了世界第一座PCM被動(dòng)太陽(yáng)房。Kedl和Stoval第一次研究制成浸有18烷石蠟的相變墻板。1991年德國(guó)利用Na2SO4／SiO2制成高溫蓄熱磚，并建立太陽(yáng)能中央接收塔的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。Feldman等采用兩種方法制備了相變儲(chǔ)能石膏板；日本利用不同含Si量的Al—Si合金相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行工業(yè)余熱回收應(yīng)用研究1995年2000年Neeper對(duì)注入

7、了脂肪酸和石蠟相變材料的石膏墻板的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試2006年Hammou等設(shè)計(jì)了一個(gè)含相變材料的混合熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r：從20世紀(jì)70年代末1978年開始中國(guó)科技大學(xué)、華中師范大學(xué)、廣州能源研究所等單位就開始了對(duì)無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)水合鹽、金屬等相變材料研究的工作。葛新石等對(duì)相變材料的理論和應(yīng)用做了詳細(xì)的研究工作。阮德水等對(duì)典型的無(wú)機(jī)水合鹽Na2SO4·10H2O等的相圖、儲(chǔ)存、成核作用過(guò)冷問題、熱物性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。西藏太陽(yáng)能研究示范中心和華中師范大學(xué)共同利用西藏鹽湖盛產(chǎn)的芒硝、硼砂等無(wú)機(jī)水合鹽類礦產(chǎn)，加入獨(dú)創(chuàng)的懸浮劑等成功研究太陽(yáng)能高密度儲(chǔ)熱材

8、料。863計(jì)劃研究將金屬相變儲(chǔ)能鍋爐應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電2008年開始20世紀(jì)90