相变储热材料的研究进展

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-05-09 09:53 热度：

　　摘 要：随着材料科学技术的发展，相变储热材料应用愈来愈广泛，文章基于相变储热材料研究方面的调研，对其进行分类与介绍，并概述了该材料潜在的应用，同时为相变储热材料的研究指出了发展方向。

　　关键词：相变材料;相变储热;复合相变储热材料

　　目前我国经济高速发展，能源的消耗量巨大。这种现象也将持续很长一段时间。现阶段我国使用最多的是化石燃料，其总量有限且对环境有巨大损害。而太阳能，地热能等可再生能源不仅可再生，还干净环保。如何利用相变材料实现能量的存储和利用，将这些能源更高效地利用和存储渐渐成为热点问题。

　　将能量在特定情况下按一定形式储存在材料中，并且可以在特定情况下释放与利用，这就叫做材料储热。目前，主要研究的储热技术为三大类：显热存储、相变存储与化学反应存储。其中，显热储热通过材料自身温度的变化存储和释放热量，材料本身不发生变化[1];潜热储热技术则是利用材料发生相态转变来吸收和释放热量[2]。化学反应储热是通过储热材料之间的相互反应来储存热量[3]。其中，潜热储热也叫相变储热，相比另两种，利用相变材料进行储热从而具有储热密度大，更易操控等优点，是目前储热技术中最有潜力，应用最多的一种技术。

　　1 相变储热材料

　　相变材料是指温度不改变的情况下，发生状态改变并能提供潜热的物质。相变储热材料在进行热量交换的过程中会发生相态转变利用相态转变将能量存储起来。

　　目前相变储热的材料可以分为无机与有机材料两类。根据储热时相变方式可分为固 - 固相变、固 - 液相变、固 - 气相变、液 - 气相变四类储热材料。从应用程度来看，具有固 - 液相变性能的储热材料价格较低，但材料本身存在过冷和相分离，易泄露对环境造成污染，同时使得封装装置价格增高。相比于固 - 液相变储热材料，固固相变储热材料，并没有过冷和相分离，从而更加安全稳定，制备简单，使用寿命长，虽然价格高，但是性价比优于固 - 液相变储热材料[6]。

　　近几年随着材料科学的发展，复合相变储热材料也随之发展，如同其它复合材料，复合相变储热材料综合了各组分材料所具有的优点，同时克服了各自存在的缺点，利用其复合的特点改善了材料的应用效果，扩宽了相变储热材料的应用领域。下面主要简单介绍固 - 固相变、固 - 液相变及复合相变三类储热材料。

　　1.1 固-液相变储热材料

　　无机液 - 固储热相变材料主要分为结晶水合盐与熔融盐两种。结晶水合盐主要是碱金属或碱土金属的的卤化物以及各种盐的的水合物。熔融盐主要是某些碱金属的氟化物、氯化物、金属盐。这类材料的优点是价格便宜，溶解热大，但是其腐蚀性强，常常发生过冷，性质不稳定[7]。

　　有机液 - 固相变材料主要为高级脂肪烃、醇、羧酸、某些聚合物等有机材料。这类材料的优点是大、一般不过冷、性能比无机固 - 液相变储热材料稳定、腐蚀性小且价格低，可重复利用。缺陷是导热系数和密度小，相变时体积变化大[8]。 1.2 固-固相变储热材料固 - 固相变储热材料主要有多元醇类、无机盐类和高分子等三类。多元醇类主要包括季戊四醇(PE)、三羟甲基丙烷(TMP)、新戊二醇(NPG)、三羟甲基乙烷(TEM)、三羟甲基氨基甲烷(TAM)等。无机盐类主要是层状钙钛矿。高分子类主要是高分子树脂，共聚物等。固 - 固相变储热材料具有相变时体积变化小、对容器设备材料和生产技术要求不高，过冷度相对较小、相变储热能力强，使用寿命长等优点[6]。

　　1.3 复合相变储热材料

　　复合相变储热材料主要为性质相似的二元或多元化合物的混合体系或低共熔体系。复合相变储热材料一般具有两种形式，一种是由多种相变材料制备的混合材料，另一种是具有封装结构的定型相变储热材料。混合相变储热材料制备过程简单，其配比不同可以改变其相变温度，但是易于泄露，使用不安全。定型相变材料相比混合而成的复合相变储热材料，因其被包容在胶囊，多孔材料等的微小空间中，不易泄露，使用时更加安全，同时增加了材料与流体间的热传导[9]。

　　2 相变储热技术的应用

　　相变储热材料目前已广泛应用于多个领域，其主要目的是提高能源利用率、合理地控制温度及储热和代替传统化石能源放热等。

　　提高能源利用率主要应用在工业生产中处理废热和电力负荷再利用[10]。例如，冶金厂在生产金属制品，现在的技术并不能将燃料的产生的所有热能全部利用，不可避免地会产生废热。这时再利用相变材料吸收储存没能利用的废热供给其他设备，就是提高了能源的利用率。

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　　温度控制是利用了相变材料可以多次重复调整控制环境温度的功能。农业上的温室，利用相变材料调节温度，极大的方便调控农业生产;建业领域利用相变材料，可减少温室气体排放，同时可以保持室内良好热循环。再如纺织领域，在衣服中加入相变储热材料，调节在不同环境下的人体内部温度。不仅仅在农业，建筑业，纺织业，在医学领域，航空航天等各个领域都可以利用其调节温度的功能。

　　随着工业的发展，化石能源会越来越少，利用相变储热材料将自然界的太阳能，地热能等可再生能源储存起来，代替传统化石能源进行放热。如利用相变储热材料制备的水箱，在相同的储热能量下，其体积可比常规水箱降低一半，并且由于减少了散热面积，可以实现平稳放热[12]。

　　3 相变储热材料未来的研究方向和前景

　　从目前的相变储热材料的应用情况以及与其他储热技术对比，相变储热更加具有技术上的优势和应用市场的先进性，从而具有良好的发展前景。相变储热材料具有可调控温度，提高能源利用率，更有效利用环境能源，应用领域广泛的优点，在将来定会大放异彩。

　　由于相变储热材料发展较晚，虽已经取得些成就，仍有许多问题急需研究解决。固 - 液相变储热材料和固 - 固相变储热材料是目前应用十分广泛的相变储热材料，但易泄露，过冷与发生相分离，腐蚀性强等许多因素制约着相变储热材料的应用和发展。随着材料科学技术的进步，利用复合技术来改善相变储热材料的缺陷，使其使用时更加稳定，更易降低存储成本。同时，提升相变储热材料的工艺技术，尤其是发展复合相变储热材料新的制备策略与相关理论，为后续相变储热材料的发展提供基础。

　　研究相变储热材料最终目的是将其运用到实际生活中，因此需要其具有应对使用环境变化的能力，使用简单，使用周期长。在提高功能稳定性的基础上应继续探究降低制造成本、增加经济效益的方法，将生产技术能投入到工业大规模的生产与应用。——论文作者：林浩楠

　　参考文献

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　　[3]李爱菊，张仁元，周晓霞.化学储能材料开发与应用[J].广东工业大学学报，2002，19(1)：81-84.

　　[4]王志强，曹明礼，龚安华，等.相变储热材料的种类、应用及展望[J].安徽化工，2005，31(2)：8-11.

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　　[7]张贺磊，方贤德，赵颖杰.相变储热材料及技术的研究进展[J].材料导报 A：综述篇，2014，28(7)：26-32.

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