相变材料的储热
摘要:热能储存可以通过蓄热材料的冷却、加热、熔化、凝固。

气化、化学反应等方式实现。

它是一种平衡热能供需和使用的手段。

热能储存按储热方式可分为三类，即显热储能、潜热储能和化学反应储热。

关键词：相变;储热;复合材料;
引言：相变材料（PCM）在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的。

相变储能技术通过相变材料相变时吸收或放出大量热量以达到能量存储的目的，是常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。

正文
一、相变储热材料应用的意义
当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题。

开发利用可再生能源对节能和环保具有重要的现实意义。

发展热能存储技术尤为重要，热能存储就是把通过一定的方式把占时应用不到应用不完的多余的热和废热存储起来，适时还可以另作他用。

该技术在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、气废热和余热的回收利用、工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。

二、相变储能材料分类及材料的选择
1、相变储热材料的分类
（1）从材料的化学组成来看，主要分为无机相变材料和有机相变材料。

无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等无机物。

与无机类相变储能材料相比，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒，腐蚀等优点。

其中石蜡类相变潜热量大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。

但石蜡类相变储能材料热导率较低，也限制了其应用范围。

为有效克服石蜡类有机化合物相变储能材料的缺点，同时改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围，复合相变储能材料应运而生。

复合相变材料由较稳定的有机化合物和具有较高导热系数的无机物颗粒制备而得，因而复合相变材料具有稳定的化学性质，无毒无腐蚀性或毒性和腐蚀性小。

同时它的导热能力较有机物有较大的改善。

（2）从蓄热过程中材料相态的变化方式来看，分为固-液相变、固-固相变、固-气相变和液-气相变四类。

由于后两种相变方式在相变过程中伴随着大量气体的产生，是材料的体
积变大，因此尽管它们有很大的相变能，但在实际应用中很少被选用。

（3）根据使用温度范围的不同，相变材料又可分为中、低温相变储热材料，高温相变储热材料。

一般使用温度高于100℃的相变储热材料称为高温相变储热材料。

以熔融盐、氧化物和金属及其合金为主。

使用温度低于100℃为中、低温相变储热材料，这类相变材料以水合盐、石蜡类、脂酸类为主，在低温类中也有利用液-气相变型的，如液氮、氦。

2、相变储热材料的选择
（1）合适相变温度；
（2）较大的相变潜热；
（3）合适的导热性能；
（4）性能稳定，可反复使用而不发生熔析和副反应；
（5）相变的可逆性，过冷度要尽量小；
（6）符合绿色化学要求:无毒、无腐蚀、无污染；
（7）使用安全、不易燃。

易爆或氧化；
（8）蒸汽压要低使之不易挥发损失；
（9）材料密度较大，从而确保单位体积储热密度较大；
（10）体积膨胀较小；
（11）成本低廉，原料易得。

实用型的相变储热材料需要满足以上各项基本原则，但选用时也可以结合实际的应用情况，在满足主要条件之下，采用一定的技术和手段来克服其缺点和不足。

三、相变储能材料的价值及应用前景
相变储能材料在许多领域具有应用价值，包括太阳能利用、电力调峰、废热利用、跨季节储热和储冷、食物保鲜、建筑隔热保温、电子器件热保护、纺织、服装、农业等。

1在太阳能方面的应用
太阳能清洁、无污染，而且取用方便。

利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一。

但是到达地球表面的太阳辐射能量密度偏低，且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约，表现出稀薄性、间断性和不稳定性等特点。

为了保证供热或供电装置的稳定不问断的运行，需要利用相变储能装置，在能量富裕时储能，在能量不足时释能。

2工业余热利用
在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部门都有大量的各式高温窑炉，它们的能耗非常之大，但热效率通常低于30％，节能的重点是回收烟气余热。

传统的做法是利用耐火材料的热熔变
化来储热，这种储热设备的体积大、储热效果不明显。

如果改用相变储热系统，则储热设备体积可减小30％～50％，同时可节能15％～45％，还可以起到稳定运行的作用3在建筑方面的应用
有关资料显示，社会一次能源总消耗量的1／3用于建筑领域。

提高建筑领域能源使用效率，降低建筑能耗，对于整个社会节约能源和保护环境都具有显著的经济效益和社会影响。

利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能来蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内的温度波动，提高舒适度，以及节约能耗。

4 相变储热材料在其他领域的应用前景
相变储热材料有着优异的储能性能，如果这种性能能利用到电池当中去，就会引起电池的一场变革。

现在用的电池不管是一次性电池还是可充式电池，都是利用化学反应来实行放电和充电的。

化学电池中含有大量的重金属，电池废弃后如处理不当，会对环境人的身体健康造成很大的危害。

相变材料大多为无机非金属材料制成，这类材料无害无毒非常适合用来制造绿色电池。

四、相变储能材料的制备及性能
相变储热时，通常将相变材料封装在具有一定形状和体积的容器中，构成一个储热单元。

然后由多个独立的储热单元组成不同性能和用途的储热系统。

目前制备相变材料的方法主要有以下几种: 基体材料封装相变材料法；基体和相变材料熔融共混法；混合烧结法。

封装相变材料法就是把基体材料按照一定的成形工艺制备成微胶囊、多孔或三维网状结构, 再把相变材料灌注于其中或把载体基质浸入熔融的相变材料中。

其中微胶囊化技术包括界面聚合法和原位聚合法: ⑴界面聚合法是将两种反应单体分别存在于乳液互不相溶的分散相和连续相中,而聚合反应是在相界面上发生的。

这种制备微胶囊的工艺优点为: 可以在常温下操作, 而且方便简单、效果好。

缺点: ①对壁材要求较高,被包覆的单体要有较高的反应活性; ②制备出的微胶囊夹杂有少量未反应的单体; ③界面聚合形成的壁膜的可透性一般较高, 不适于包覆要求严格密封的芯材等。

⑵原位聚合法的技术特点是: 单体和引发剂全部置于囊心的外部且要求单体可溶,而生成的聚合物不溶,聚合物沉积在囊心表面并包覆形成微胶囊。

基体和相变材料熔融共混法。

利用相变物质和基体的相容性, 熔融后混合在一起制成组分均匀的储能材料。

此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变材料, Inaba H等
人通过熔融共混法成功地制备出石蜡/ 高密度聚乙烯定形相变材料, 并探讨了这种材料在建筑节能中的应用。

混合烧结法。

这种方法首先将制备好的微米级基体材料和相变材料均匀混合, 然后外加部分添加剂球磨混匀并压制成形后烧结, 从而得到储能材料。

这种方法通常用于制备用于高温的相变储能材料。

中低温复合相变储热材料的制备与性能
中低温复合相变储热材料的制备方法主要为渗熔法。

不过对于不同形式的基体，采取的具体步骤不同。

石蜡多空石墨基蓄热复合材料的制备是将膨胀的石墨粉末装入铝模，加压后获得具有所需体积密度的的多孔石墨，然后将多孔石墨基浸入熔融石蜡放置足够的时间，取出冷却，制成复合产品。

成品的性能和熔浸时间和多孔石墨的体积密度有关系
熔浸率随着熔浸时间的增长而增长，初始200s内增长速度很迅速以后随着时间的增长而较慢。

熔浸率还随着多孔石墨基的密度升高而降低。

石蜡石墨基储热复合材料的热导率远大于相变石蜡的热导率与纯多空石墨相当。

石蜡聚乙烯蓄热复合相变材料的制备及性能
石蜡聚乙烯蓄热复合相变材料以石蜡为相变材料，高密聚乙烯为支持材料。

首先在高于高密聚乙烯熔点的温度下，将两种材料熔化、混合。

然后将混合物冷却，温度控制在高密聚乙烯的熔点及石蜡的熔点之间。

高密聚乙烯开始凝固，而石蜡仍为液态并保持在三维网状结构的高密乙烯中。

结论：相变储热材料有着优异的储热性能，这一性能在能源的利用上有着广阔的前景。

相变储热材料大多数为无机非金属材料，原料易得，易于制备，无污染，是一种良好的绿色资源。

随着能源的短缺，各国都在努力提高资源利用率和寻找可再生的绿色能源。

相变材料开始受到人们的重视，相变材料在太阳能，工业余热利用，绿色建筑，航天航空领域有着广泛的应用。

随着对相变材料研究的深入，相变材料会应用在更多的领域。

参考文献
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