相变储能材料的应用及研究进展

高分子材料科学与工程

POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING

Vol.26,No.8Aug.2010

相变储能材料的应用及研究进展

马素德,宋国林,樊鹏飞,黎宇坤,唐国翌

(清华大学深圳研究生院新材料研究所,广东深圳518055)

摘要:对相变储能材料(PCMs)在太阳能、工业余热回收、建筑材料、空调蓄冷、电子器件、电池散热、化妆品、调温纤维等方面的应用及最新进展进行了简短综述,其基本原理都是基于PCMs发生相变时吸收或者释放热量。指出,PCMs正成为世界范围内的研究热点,材料、工艺、结构设计等诸方面的研究人员应该大力合作,从而促进该领域更好发展。关键词:相变材料;储能;应用;进展

中图分类号:TB34　　　文献标识码:A　　　文章编号:100027555(2010)0820161204

　　相变储能材料(简称PCMs)是一类特殊的功能性材料,其能在等温或近似等温的情况下发生相变(多数为固液相变或气液相变),同时伴随有较大能量(一般称为相变潜热)吸收或释放,这个特点是该类材料具有广泛应用的原因和基础[1]。

文献中目前可查到的最早应用PCMs的实例是1945年美国波士顿郊区的一栋建筑物,其中结合经过

了大量的特殊PCMs,主要是微胶囊化封装的石蜡、高级醇、高级烷烃等[5～9]。

特殊设计的太阳能集热器使用了21t硫酸钠(水合盐

类),成功使用了两年,第三年时其中的PCMs失效,暴露了结晶水合盐类物质冷热循环性能差的劣势[2]。其后,PCMs在日常生活[3]、航空航天[4]等领域的研究逐步开展起来,而近年来的研究热点主要集中在民用,比较典型的有以下几类。1　太阳能利用

　Fig.1　SchematicviewofsolarenergyapplicationoptimizedbyPCMs

太阳能领域是目前PCMs应用的最主要领域之一,其基本原理示意于Fig.1。太阳能集热器收集到的热量通过工作介质(如水)传输到箱体的PCMs中,PCMs发生相变(固态到液态),将多余的热量储存起

　　Reddy[10]建立的基于PCMs(固体石蜡)换热的太阳能热水系统有优良的储能表现,系统上部为石蜡,下部为水。研究发现,当石蜡厚度为10cm时,PCMs潜热作用发挥得最好。这种系统还有一个特点是热散失小,当水温保持在50℃以上时,经过一夜时间,温度仅仅下降115℃～2℃。

DariuszH等[11]将PCMs(脂肪酸)加入到石膏板作为室内(试验模型)贴面中实现储存太阳能的目的,能够降低房屋在需加热季节热需求的90%。

ShileiL等[12]将PCMs(癸酸/月桂酸)加入石膏墙板中,可吸收室内外多余的热量(主要是太阳能),气温降低时释放出来,从而实现了对昼夜、冬夏太阳能的利

来;当太阳能不足时,PCMs再次发生相变(液态到固

态),释放能量。此种装置可在昼夜甚至冬夏太阳光照差别较大时保持供热的大致稳定。还有另外一种简化的利用方式是不使用集热器,也不使用工作介质,而是直接利用太阳光照射PCMs来储存能量,当气温降低时,PCMs发生相变,释放能量,基于此种用途还制备

收稿日期:2009207201

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50572045);科技部国际合作重点项目(2008DFA51210)通讯联系人:唐国翌,主要从事材料科学方面的研究,　E2mail:tanggy@mail.tsinghua.edu.cn

162高分子材料科学与工程2010年　

用。实验表明,装有这种相变墙板的房间与普通房间相比,空调能耗大大降低,并可利用峰谷电价差减少经济负担。但作者同时也提出,要将不同的相变材料应用到不同的气候条件下,仍有大量的工作要做。

GuobingZ等[13]利用热焓模型对太阳能加热中使

3　建筑材料

建材轻质化是当今社会建材发展的重要趋势,但轻质建材带来的一个重大缺陷就是房屋保暖性变差,能耗增加,在建材中添加PCMs是解决这个问题的有效途径之一[18～21]。Fig.2是在轻型建材中添加PCMs的示意图,同样地,为了防止PCMs流失,使用了经过封装的PCMs微囊。气温较高时,PCMs由固态变成液态,吸收热量;气温降低时,PCMs由液态变为固态,放出热量,从而使得室内外温度波动幅度降低,同时减小空调能耗。研究结果表明,添加PCMs后建材表面温度明显趋于平缓[22]。XiaomingF等[23]制备的RT20(是一种相变温度为23124℃的液态饱和烃)/蒙脱石复合相变储能材料,在1500次熔融2结晶循环实验中表现出很好的稳定性,且该复合材料与石膏粉末有很好的相容性。所制备的复合石膏板应用于轻质建材可大大降低室内空气温度波动,从而减少房屋能耗。

用的PCMs混合石膏板及板状PCMs进行了数值评价。结果表明,板状PCMs对温度变化反应更灵敏,最佳相变温度为21℃,相变温度范围越窄,热性能越好,PCMs能够有效的减小室内温度变化。2　工业余热回收

由于工业余热往往温度较高,达到数百摄氏度以上,此时选用的PCMs多数为水合盐,利用其失水和吸水来实现热量的存储与释放。因而PCMs在此领域的应用一般还有个专门名称,即所谓的热化学[14]蓄能,但也可以理解为广义的相变。基本原理为:高温气体经过水合盐,后者发生分解,释放出水分(气态),同时吸收热量,高温气体失去部分热量温度降低,气态水分在冷凝器中变为液态,完成所谓的加载阶段。水合盐处于一个密闭空间中,水分不会散失。液态水接着被较低温度的气体加热变为气态,气态水与上一阶段失水后的水合盐反应重新生成含水的水合盐,释放出大量的热,加热气体,完成卸载阶段。而中间过程则可称为储能阶段。此情况下一种典型的存储介质是Mg2SO4・7H2O,其同体积的热能存储密度可达水的9倍。

如果需要的相变温度更高,还可直接使用盐类作工作介质,利用盐类的熔融/凝固相变储存、释放能量

ShenglinW

[16]

[15]

。

　Fig.2　Schematicviewofalightweightwall.ThePCMmicro2cap2

sulesareintegratedintotheinteriorplaster

等提出了一种由多孔镍基熔浸熔

融盐Li2CO3、Na2CO3、K2CO3等制备而成的新型复合相变蓄热材料,重点研究了该材料的制备。并采用X射线衍射分析、扫描电镜和差热差重分析,研究了复合蓄热材料的性能和结构。结果表明,最佳的复合时间为2h～3h,最佳的复合温度为高于熔点50℃～100℃。该种材料在工业余热回收方面应用前景良

4　空调蓄冷

蓄冷是一种利用峰谷电价差(即电价处于谷位时

让压缩机制冷冰储存下来,而电价处于峰位时压缩机不工作,靠储存的冷量用于空调)来减少大型空调花费的技术,目前比较常用的是冰蓄冷和水蓄冷。前者储能密度大,但制冷成本高;后者制冷成本较低,但储能密度小,占地多。而PCMs具有较大的储能密度,制冷成本又比冰低得多,有望大规模应用。此外,将PCMs微胶囊分散在载体中制成的相变浆(PCS)还可直接用于与空气的热交换,但微胶囊在长期的泵送过程中容易发生破损,GschwanderS等[24]的工作改善了这一点,其主要思路是通过共聚改善微胶囊壳材的韧性。

文越华等[25]通过加入KCl,NH4Cl,(NH4)2SO4或NaCl降低了Na2SO4・10H2O的相变温度;通过加入成核剂和增稠剂有效地解决了Na2SO4・10H2O的过冷和相分离问题。该材料相变温度在10℃左右,在空调

好。

JinH[17]等研究了融盐Na2SO4与石英质多孔陶

瓷预制体的自发熔融浸渗制备工艺,成功地制备出无机盐/陶瓷基复合相变储能材料,观察和分析了该材料的物相组成与显微结构特征,对该材料的各项热物理性能和力学性能进行了测量。结果表明,自发熔融浸渗工艺比混合烧结工艺更适合于制备无机盐陶瓷基复合相变储能材料,其相变温度在882℃左右,可应用于工业余热回收。

　第8期马素德等:相变储能材料的应用及研究进展163

蓄冷中有很好的应用前景。5　其它5.1　电子器件

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环条件下的熔化/结晶次数等参数的研究,得出结论:基于相变材料固体石蜡/高分子材料的合理设计是应用到电子器件瞬时散热中的最佳候选方案。5.2　电池散热

AndrewM等[27]将石墨粉末加入有机PCMs中以

提高后者的导热性能,然后将该复合相变材料应用于一种锂离子电池高速放电过程中的主动热处理系统,该系统的散热功能得到了有效的提高。但由于相变材料成本高,目前未大量使用。5.3　化妆品

唐国翌等[28]将PCMs添加到面膜基材上,使用时面膜可在低温状态下保持较长的时间,从而其促进毛孔收缩的效果更好,使用更方便。5.4　调温纤维

专利200610157441.8[29]公开了一种调温纤维的制备方法,其在纤维素中添加了一定量的PCMs微囊,从而具有智能调温作用,其热稳定性及调温效果良好,相变材料不易泄露。用这种调温纤维制成的衣服、被褥等具有一定的调温功能,穿着更舒适。类似的发明还应用在宇航服中[4]。

展义臻等[30]以液体石蜡作为芯材合成了环氧树脂型相变微胶囊,并将其和海藻酸钠共混制备了相变调温海藻纤维。可用作医用恒温绷带,可防止局部温度过高,防止出汗引起的伤口感染,促进伤口愈合,也可防止冻伤。6　结语

相变储能材料的研究正成为世界范围内的研究热点,具有各种不同性能(如不同的相变温度、不同的相变焓值,不同的形状,不同稳定性等)的PCMs正在快速地被开发出来,并不断地为这些材料的应用拓展新的领域。同时,针对某种应用领域,人们也在不断地设计相变材料,来满足这一领域对材料性能的要求。材料与其应用的相互促进在PCMs近年来的研究中表现得非常明显。另一方面,针对某种应用领域的要求,不仅要依靠材料研究人员本身的努力,还应该与工艺、结构等方面的研究人员大力合作,使已有材料性能发挥到最佳状态。

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TheApplicationandDevelopmentofPhaseChangeMaterials

MASu2de,SONGGuo2lin,FANPeng2fei,LIYu2kun,TANGGuo2yi

(AdvancedMaterialsInstitute,GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China)

ABSTRACT:Ashortreviewofphasechangematerials(PCMs)wasgivenregardingtherelevantapplicationsandthelatestdevelopmentonvariousfielsincludingsolarenergy,industrialwasteheatrecovery,buildingmaterials,coldstorageofairconditioning,electronicdevices,heatdissipationofbatteries,cosmetics,andtemperature2adaptable

fibers.ThebasictheoryofPCMs′applicationisutilizingtheheat(energy)beingabsorbedorreleasedasthephasechangingprocessesoccur.IthasbeendemonstratedthattheresearchofPCMsisbecomingoneofthemostpopulartopicintheworld.Itshouldbeemphasizedherethatresearchersofmaterials,technicsandstructuredesignetal.oughttocooperateintensivelyinordertopromotethedevelopmentofPCMsmoreefficentlyinthefuture.Keywords:phasechangematerials;energystorage;application;development