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相变储能材料及其应用

热能可以通过材料的显热或者潜热(相变热)两种方式进行储存。显热储能材料主要是利用其比热容和材料的温度变化进行能量的储存和释放,优点是能量的储存和释放过程是完全可逆的,系统设计简单,缺点是单位体积所能储存的能量较少,装置体积过大。相变储能是利用相变材料(Phasechange materials, PCM)物态的转变进行能量的储存和释放,其优点是储能密度大,温度近似恒定。

作为相变储能材料需要满足以下条件:

1.热力学标准

(1)要有合适的相变温度;

(2)要有足够大的相变潜热,以便以较少的数量即能储存给定数量的热能;

(3)导热系数要大,以便储、放热时储存物质内的温度梯度小;

(4)高的比热,以提供额外的显热效果。

(5)发生相变时膨胀或收缩性要小,即相变过程的体积变化小,以使盛装容器形状简单;

(6)高的密度,这样盛装的容器会更小;

(7)相变的可逆性要好;

2.动力学标准

凝固时无过冷现象或过冷程度很小。熔点应该在其热力学凝固点结晶。

这可通过高的晶体成核速度及生长速率未实现,有时也可向储热材料中加入成核剂或“冷指”来抑制过冷现象 。

3.化学标准

(1)高稳定性;

(2)不发生分解,以使潜热储能材料具有长期的使用寿命;

(3)对构件材料无腐蚀作用;

(4)材料应该无毒性、不燃、无爆炸性。

4.经济标准

可大量获得、廉价。

相变储能材料的分类

从储能的温度范围来看,可分为高温、中温及低温等类型。

 储能过程中,按材料相态的变化,又可分为固-固相变材料、固-液相变材料、液-气相变材料、固-气相变材料四大类。

虽然液-气和固-气转化时伴随的相变潜热远大于固-液和固-固转化时的相变热,但是由于液-气和固-气转化时产生气体,其相变气体体积变化非常大,故很难用于实际工程中。

 从化学组成来看,可分为无机材料和有机材料以及混合相变材料3大类。

无机类PCM包括:结晶水合盐、熔融盐、金属合金和其它无机物。

有机类PCM包括石蜡、脂肪酸和其它有机物。混合PCM主要含有机和无机两种PCM的混合物。

现已发现的PCM在6000种以上。

在相变储能技术手段的研究领域中,首先是就要开发出相变潜热大、性能稳定、性价比高的相变材料。除了对传统的无机盐、无机水合盐、有机和金属相变材料进行研究外,学者也开始关注新型相变储能材料,涉及从无机到有机,从单一组分到复合材料,从宏观到纳米化、微胶囊化、定形化等方向。

主要应用

1、应用于太阳能系统

太阳能是巨大的能源宝库,清洁、无污染,而且取用方便,由于到达地球表面的太阳辐射能量密度并不高,而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响,及阴晴云雨等随机因素的制约,其辐射强度也不断发生变化,而且具有稀薄性、非连续性和不稳定性。所以为了保持供热或供电装置稳定不问断地运行,就需要通过贮热装置把太阳能贮存起来,在太阳能不足时再释放出来,从而满足生产、生活用能连续和稳定供应的需要。


无箱式太阳能热水器


集热管

2、余热利用

相变储能技术可以在机械、石油化工、陶瓷、玻璃、钢铁等各种行业应用。储能换热器在连续加热炉、热风炉和非连续加热炉上的余热回收上应用都是合适的。在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部门都有大量的各式高温窑炉,它们的能耗非常大,但热效率通常低于30%,节能的重点是回收烟气余热(热损失达50%以上)传统的做法是利用耐火材料的显热容变化来储存热量,但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少30%-50%,同时节能15%-45%,还可起到稳定运行的作用。

3、电力调峰

利用储能技术来加快传统工业和民用电气产品的改造,积极开发和利用储能式设备及电热电器产品,甚至建立中小型储能热电站,量大面广和灵活的使用谷期电力,是实现峰谷电价的切实可行的手段,在即将全面实行分时计算电价政策时,它便将成为热点。对电力比较丰富而又峰谷差明显的地区,出于环保的考虑,在一些企事业单位或民用住宅,常用电加热水供生活、生产和采暖用,因此就可发展电热储能热水锅炉。

4、纺织业的利用

把相变材料掺入纺织品后,利用相变材料可控温的特点,当外界环境升高温度时吸热,当外界环境温度降低时放热,从而降低外部环境对人体的影响,为我们提供一个安稳、舒适的微气候环境。

5、航天仪器恒温及动力供应

早在上世纪50年代,由于航天事业的发展,人造卫星等航天器的研制常涉及到仪器、仪表或材料的恒温控制问题。因为人造卫星在运行中,时而处于太阳照射之下,时而由于地球的遮蔽处于黑暗中,在这两种情况下,人造卫星表面的温度相差几百度。

6、建筑节能

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着的经济效益和社会影响。在有暖气的室内安装相变材料蓄热器后,当通入暖气时,它会把热贮存起来;当停止送暖气时,它会放出热量,维持室内的温度较为恒定。如果在室内的地板和天花板使用相变材料,由于相变材料的贮热和放热作用,则可将室内温度梯度降低到小于5℃的舒适状态。

保温砂浆

7、冷链运输专用相变材料

生物药品用于人类重大疾病的诊断、治疗。不当的储运会导致产品效价降低、失效,甚至毒副作用增加。经过严格验证的温控包装有利于保证药品质量。

8、水泥温度控制剂

大型建筑水泥结构施工结束以后,水泥在熟化过程中,会产生大量的热量,有时温度高达80度以上,严重影响建筑物的强度。

9、其它方面的应用

相变材料还可以在医疗保健、农业温室电防热外壳、保温盒、取暖器、具有严格温度使用条件的特种仪器以及电子器件中作为散热材料等诸多方面有着广泛的应用;含有相变储能材料的沥青路面或混凝土可以防止桥梁结冰;相变材料可用在医学理疗方面;相变储能技术还可以用于缓解电子芯片(如CPU)的尖峰热负荷等。

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