相变储能复合材料的发展状况与应用前景

刘志博贺飞达杜晓庆丁 锐

（1吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生，长春 130118 2吉林建筑大学，长春 130118）

相变储能复合材料的发展状况与应用前景

刘志博1贺飞达1杜晓庆1丁 锐2

（1吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生，长春 130118 2吉林建筑大学，长春 130118）

相变储能材料技术是近年来热领域和新材料领域新兴的研究热点，该技术对建筑节能、解决能源紧张有着重要的应用价值。本文主要介绍了相变储能材料的相变机理及分类，对现阶段国内外具有应用价值的相变材料进行了探讨，并分析了在相变材料在实际建筑护围中应用状况。

建筑节能 相变分类 复合材料

1. 前言

相变材料(Phase change materials)定义为：在相转变过程中，与外在环境进行热量交换，放出或吸收热量，进而达到能量的储存和释放的目的。相变储能技术是一种潜热储能手段，与显热储能相比较具有储能密度大、节能效果好、体系小巧、温度控制稳定、相变温度可控等优点。利用相变材料的特性，可以广泛应用于各个产业，如清洁能源利用（太阳能），电网“移峰填谷”、管道及空调系统的余热回收利用以及建筑墙体节能等领域。采用相变储能技术可制造出各种提高能源利用率的设施，同时由于其相变时温度近似恒定，可以用于调整控制周围环境的温度，并且可以重复利用[1]。另外，利用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构，可以提高围护结构的储热能力，降低室内温度波动幅度，减少建筑物供暖、空调设备的运行时间，达到节能降耗和提高舒适度的目的。

2. 相变材料的分类及储能理论

通常物质的相变包括以下几种形式：

固态⇔气态、液态⇔气态、固态⇔液态及固态⇔固态[2]

物质分子在固-液转变时，运动自由度较高，即有较大的熵。物质由固态到液态的相变将会由于熵增加而吸收能量；在反过程中，由液态到固态的转变将会由于熵减少而释放相等的能量，这些能量称为熔化热。物质固-气相变即升华和凝固时，由于气态分子具有最大的运动自由度，而固态最低，因此固-气相变具有最大的相变潜热。然而固-气、液-气相变虽然具有很大相变潜热，但不适于用作相变储能材料进行应用。主要原因是由于固-气、液-气相变过程中体积的巨大变化使系统庞大而复杂，导致封装过程成本提高，此外，过大的体积变化会降低相变储能材料体系的使用寿命。固-液相变虽然与固-气相变相比较潜热较小，但由于体积变化较小，是实际应用比较多的相变材料。

固-液相变储能材料具有较高的相变潜热，但在相变过程中也会出现液态，因此在使用过程中必须用容器封装，这样既增加了系统的成本，又不能应用于许多无法携带容器的场合，如相变服装等。正是这个固有缺点，限制固-液相变储能材料的应用范围。

近年来，固-固相变储能材料的研究和应用得到了迅速的发展。它们主要的优点是体积变化小，更重要的是相变过程中，宏观上不会出现液相。可以减少对容器的要求，甚至完全不需要容器而把PCM作为结构材料，可以简化工艺和降低成本。

3. 固-液相变PCM国内外发展现状

3.1 无机类相变储能材料

无机水合盐属于中低温相变材料，在相变过程中具有较高的相变潜热。无机水合盐相变储能材料主要包括各种结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金等。最典型的是结晶水合盐类相变储能材料，这类材料具有相变潜热大、导热系数较高、体积变化小等优点，使用较多的主要是碱及碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐及醋酸盐等[3]。

水合盐的通式为X（Y）n·mH2O，此处X（Y）n为无机盐。当温度超过相变温度时，水合盐脱水形成非晶无水盐：X（Y）n·mH2O→X（Y）n+ mH2O；或者部分脱水，分解为低水合物盐：X（Y）n·mH2O→X（Y）n·mH2O +（m-p）H2O

在此过程中，分解出来的非晶无水盐或低水合物盐，随后溶解于它们所释放出来的结晶水内成为水溶液。该过程由于熵增而吸收能量。当温度下降时，所形成的水溶液中的无机盐又重新与水结合，成为结晶态水合盐而释放出热量，相变潜热较高，相变焓一般可达250～400J/g。

但是无机水和盐类相变储能材料在使用过程中易出现“过冷”和“相分离”现象，导致储能不稳定，极大的限制了实际应用效果。

3.2 有机类相变储能材料

有机类相变材料常用的有高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等[4]。

一般说来，同系有机物的相变温度和相变焓会随着其分子结构中碳链的增长而增大，这样通过控制合成手段，可以获得相变温度较宽的有机类相变储能材料，但随着机类相变储能材料分子量的增长，相变温度的增加值会逐渐减小，失去了实际应用价值，因此，有机类相变材料的选择一般以低分子量的有机材料为主。此外，由于有机类的相变材料是具有一定分子量分布的混合物，并且由于分子链较长，结晶并不完全，因此它的相变过程有一个熔融温度范围[5]。

有机类相变材料具有腐蚀性小、相变体系稳定、不易发生“过冷”和“相分离”、相变温度较低等优点。

4. 固-固相变储能材料

固-固相变储能材料，由于在相变过程中没有液相产生，易于封装，是现阶段最具经济潜力及开发价值的一类相变储能材料。目前固-固相变材料主要分类主要为：高分子类交联储能材料、层状钛钙矿吸附相变储能材料复合体系及多孔基体复合相变储能材料。其中，载体吸附体系由于价格低廉，吸附效果较好，技术较为成熟，得到了广泛的应用。现主要介绍下层状钛钙矿吸附相变储能材料复合体系及多孔基体复合相变储能材料。

4.1 层状钙钛矿

层状钙钛矿是一种有机金属化合物，其晶体结构为层状，和钙钛矿矿物的结构相类似。因此在制备复合相变体系时，相变储能材料会吸附在层状钙钛矿的层状结构当中，相变过程中宏观上没有液相的产生。此种复合相变体系在相变时相变焓较高（42～46kJ/kg)，体积变化较小(5%～10%），适合于高温范围内的储能和控温使用。但由于其相变温度高、价格较贵等原因较少使用。

4.2 多孔基体复合相变储能材料

该种相变储能材料主要是采用无机多孔材料作为吸附载体，如活性炭、硅藻土等，在高真空度下，将相变材料吸附到多孔材料的孔隙当中。由于多孔材料的比较面积较高，因此可吸附较多的相变材料，储热密度较大，此外，在相变过程中，由于毛细管张力的作用，液态的相变材料不能从孔隙当中溢出，使相变材料在宏观上失去流动性，表现为固-固相变。该类PCM不需容器盛装，增加了传热面积和传热效率，可根据需要制成各种形状或复合到其他材料中。

5. 相变材料的应用及展望

相变储能材料由于其优异的储热能力，具有极大的市场潜力。针对于国内外关于相变储能材料体系的研究进展，未来相变材料的发展趋势将集中在新型封装容器和载体基质的研发，提高相变材料热传导能力及提高使用稳定性等方面。在应用前景方面，采用高温相变体系进行空间太阳能热动力发电、采用低温相变体系对建筑进行节能改造等，都具有极大的应用前景。

总之，随着人类社会对环境保护、节能降耗、减少污染的要求越来越高，对相变储能技术的需求也就会越来越强烈，必然促进蓄能技术持续快速的发展。可以预料在不远的将来，随着研究的进一步发展，相变储能材料将获得更为广泛的应用。

[1]张云坤等.蓄能、热回收技术及其在空洞工程中的应用（J）.节能技术,2003,(3):28-30.

[2]宫秀敏.相变理论基础及应用.

[3]陈爱英,汪学英,曹学增.相变储能材料的研究进展与应用（J）.材料导报, 2003年5月第17卷第5期.

[4]George John,Sakae Tsuda,Mikio Morita. J Polym Sci,PartA:Polym Chem,1997,35:1901

G322

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1007-6344（2015）11-0092-01

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大学生创新创业训练计划项目 项目编号：85700334