相变储热材料的发展概况及展望

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摘 要：本文系统概括了相变储热材料的发展概况，介绍了相变储热材料的分类、性能和应用，并对其未来的发展进行了展望。

关键词：相变材料 相变储热 能源

中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）05-0382-01

能源是人类赖以生存的基础。随着现代工业的迅速发展，人们对能源的需求量越来越大，迫切需要全球各国不断开发和利用新能源。在此过程中，虽然新能源在不断被开发，但是我们对能源的利用在许多情况下都未达到合理化，致使大量能源被浪费。因此，提高能源的利用率很有必要。储热技术可用于解决热能供给和需求失配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。储热技术主要包括显热、潜热和反应热3种储热方式。其中，以相变材料（Phase Change Material， PCM）的固-固、固-液相变潜热来储存热量的潜热型热能储存方式最为普遍，也最为重要。其优点为：储热密度大、储放热过程近似等温和过程容易控制等[1]。

固-固相变储热材料和固-液相变储热材料是目前应用较为广泛的相变储热材料。固-液相变材料存在过冷和相分离现象，从而导致储热性能恶化，具有腐蚀性等缺点。固-固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热，与固-液相变储热材料相比，固-固相变储热材料具有稳定性好、腐蚀性小、装置简单等特点[2]。

一、相变储热材料分类及应用

1.相变储热材料分类

相变储热材料主要有固-固和固-液型两类，其中固-液相变储热材料根据使用温度范围，又可分为高温型和低温型储热材料，或者根据材料类型，又可分为有机型和无机型储热材料；固-固相变储热材料主要有3大类，分别是高分子类、多元醇类和层状钙钛矿类。

1.1固-固相变储热材料

高分子类相变储热材料主要是一些高分子的聚合物。如聚烯烃类、聚缩醛类等。目前最常见的是聚乙烯。这种材料一般不产生过冷或相分离现象，结晶度高，导热率高，物美价廉。

多元醇类相变储热材料主要有季戊四醇（PE）、2，2-二羟甲基-丙醇（PG）、新戊二醇（NPG）、三羟甲基乙烷（TMP）等。这类材料具有寿命长、焓变大、性能稳定等优点。多元醇的相变温度较高，在很大程度上限制了其应用[3]，可通过混合多元醇，调节相变温度。

层状钙钛矿类相变储热材料是晶体结构为层型的有机金属化合物，因与矿物钙钛矿的结构相似而得名。这类材料具有较高的相变焓（42-146KJ/Kg），转变时体积变化较小，适用于高温范围。由于其相变温度高、价格昂贵等原因而较少使用。

1.2 固-液相变储热材料

无机类相变储热材料主要有结晶水合盐类、金属与合金类、混合盐类等。其中较为典型的是结晶水合盐类。此材料具有熔化热大、储热密度大、导热好等优点而被广泛使用[4]，最为常见的如碱及碱金属的卤化物、硫酸盐、醋酸盐、磷酸盐、硝酸盐等。

有机类相变储热材料主要有高级脂肪烃类、脂肪酸类、醇类及多羟基碳酸类等。这类材料在固态时成型性较好，腐蚀性小，不易出现过冷和相分离现象，但不适用于高温场合。

2.应用

相变储热材料因其独特的性能而被广泛使用。主要应用领域有：太阳能利用、建筑节能、采暖、现代农业温室、医疗仪器控温、服装保暖、工业加热、热泵干燥机组的节能、军事红外伪装等诸多领域[5]。为我们的节能、环保事业做出巨大贡献。

二、相变储热材料研究概况

国外对相变储热材料的研究始于70年代，而我国在80年代初期开始研究相变储热材料，早期对Na2SO4・10H2O这一类无机水合盐相变储热材料研究的比较广泛。华中师范大学的阮德水等人在1983年对Na2SO4・10H2O的成核作用进行了系统研究，对其过冷问题进行了解决；随后，河北省科学院能源研究所唐钰成等人对相变蓄热材料进行了量热研究， 并研制和试验了太阳房相变蓄热器，及华中师范大学化学系胡起柱等人用DSC 法研究了Na2SO4・10H2O-NaCl的贮热体系，并从相平衡和结晶机理讨论了初始熔化热值较低的原因；90年代，杭州大学化学系孙鑫泉等人对Na2SO4・10H2O体系的潜热蓄热及其熔冻行为进行了研究，该蓄热材料经1500 次熔冻循环后，蓄热容量仍在30Cal/ g；陕西物理研究所的焦小浣等人对Na2SO4・10H2O-NaCl的贮热体系进行了进一步研究，研制了一种水溶性高分子增稠剂，增加了相变储热材料的稳定性；目前，有机储热材料和复合相变储热材料因其较优的性能而被广泛研究， 并主要应用在太阳暖房、日光温室、建筑材料等领域。

三、展望

随着采暖面积等一系列耗热工程的增加，使与之相对应的环境污染和能源浪费问题越来越严重，例如热电厂的能源转换效率，由于采暖与发电负荷的不一致，导致有过量的热能被浪费。因此，像蓄电池一样的介质，将热量储存起来，在需要时释放能量，以求达到能量的最大化利用-相变储热材料将会被广泛应用。目前，相变材料的研究、应用工作得到进一步深入，科学界也已将相变材料应用的眼光投入到建筑、装潢上，这类材料的应用研究价值相当可观，这是可以预见的。

拉萨地区太阳能资源极其丰富，年日照数3000小时以上，属高日照率、高大气透明度、高日照辐射强度地区。若利用相变储热材料将各种能源转为热量与冷量有效的储存起来，对于拉萨的可持续发展、解决能源供给紧张的现状都有着十分重要的现实意义。

我国对相变储热材料的研究起步较晚，到目前为止，相变储热材料的应用领域也较为狭窄，但我们应该相信在不久的将来，随着相变储热材料的不断改进与更新，它将会深入我们生活的每一个角落。

参考文献

[1]张正国，文磊，方晓明等。复合相变储热材料的研究与发展[J]，化工进展，2003，22（4）：462-464。

[2]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]，2005，2：8-10.

[3]Abhat A， Low temperqture latent heat thermal energy storage ： heat storage materials[J]， Solar Energy， 1983， 30（4）： 31-33.

[4]Shim H， Meculloogh E A， Jones B W， Using phase change materials in clothing textile[J]， Research Journal， 2001， 177（6）：495-499.

[5]尚燕，张雄。相变储能材料的应用及研究现状[J]，材料导报，2005，19（Ⅴ）：265-268。