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1、相变储能材料,组员：张然 汪海 陈庆飞 李玉,相变储能材料 定义：相变材料（PCM）在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的。,1.引言,当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题。开发利用可再生能源对节能和环保具有重要的现实意义。相变储能技术通过相变材料相变时吸收或放出大量热量以达到能量存储的目的，是常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。该技术在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、气废热和余热的回收利用、工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。,2
2、.相变储能材料的物理性能,相变材料的种类很多，从蓄热过程中材料相态的变化方式来看，分为固-液相变、固-固相变、固-气相变和液-气相变四类。由于后两种相变方式在相变过程中有气体产生，使得材料的体积变化很大，难以控制，但在实际应用中很少被选用。因此，固-液相变和固-固相成为重点研究对象。,从材料的化学组成来看，主要分为无机相变材料和有机相变材料。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等无机物。与无机类相变储能材料相比，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒，腐蚀等优点。其中石蜡类相变潜热量大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。但石蜡类相变储能材
3、料热导率较低，也限制了其应用范围。为有效克服石蜡类有机化合物相变储能材料的缺点，同时改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围，复合相变储能材料应运而生。复合相变材料由较稳定的有机化合物和具有较高导热系数的无机物颗粒制备而得，因而复合相变材料具有稳定的化学性质，无毒无腐蚀性或毒性和腐蚀性小。同时它的导热能力较有机物有较大的改善。石蜡因其具有较高的相变焓及较稳定的化学性质，并具有相变稳定、易调节广泛应用于相变储能系统。不同组成的石蜡相变温度不同，可以通过将不同相变温度的石蜡进行互混得到较广范围的相变温度。石蜡中添加入高导热系数的无机物颗粒，得到的复合物不仅导热系数有所提高，同时还保持了有机物原有的优
4、点。,3.相变材料的制备方法,目前制备相变材料的方法主要有以下几种:基体材料封装相变材料法 基体和相变材料熔融共混法 混合烧结法,基体材料封装相变材料法,封装相变材料法就是把基体材料按照一定的成形工艺制备成微胶囊、多孔或三维网状结构,再把相变材料灌注于其中或把载体基质浸入熔融的相变材料中。其中微胶囊化技术包括界面聚合法和原位聚合法:界面聚合法是将两种反应单体分别存在于乳液互不相溶的分散相和连续相中,而聚合反应是在相界面上发生的。这种制备微胶囊的工艺优点为:可以在常温下操作,而且方便简单、效果好。缺点:对壁材要求较高,被包覆的单体要有较高的反应活性;制备出的微胶囊夹杂有少量未反应的单体;界面聚合
5、形成的壁膜的可透性一般较高,不适于包覆要求严格密封的芯材等。原位聚合法的技术特点是:单体和引发剂全部置于囊心的外部且要求单体可溶,而生成的聚合物不溶,聚合物沉积在囊心表面并包覆形成微胶囊。,基体和相变材料熔融共混法,利用相变物质和基体的相容性,熔融后混合在一起制成组分均匀的储能材料。此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变材料,Inaba H等人通过熔融共混法成功地制备出石蜡/高密度聚乙烯定形相变材料,并探讨了这种材料在建筑节能中的应用。,混合烧结法,这种方法首先将制备好的微米级基体材料和相变材料均匀混合,然后外加部分添加剂球磨混匀并压制成形后烧结,从而得到储能材料。这种方法通常用于制备
6、用于高温的相变储能材料,例如:张仁元、Randy P、张兴雪 等人利用此方法成功地制备出Na2CO3-BaCO3/MgO,Na2SO4/SiO2 以及NaNO3-NaNO2/MgO 无机盐/陶瓷基复合储热材料。,4 相变储能材料的性能表征,根据储能材料的使用特点和性能要求,相变材料一般须满足以下要求:储能密度大,能源的转换效率高;稳定性好,单组分材料不易挥发和分解;对多组分材料,则要求各组分间结合牢固,不会发生离析现象;无毒、无腐蚀、不易燃易爆,且价格低廉;导热系数大,以便能量可以及时地储存或取出;不同状态间转化时,材料体积变化要小;需要合适的使用温度。根据以上分析,对储能材料一般采用以下测试
7、方法进行表征:,（1）差示扫描量热法(DSC)和热分析法(TA),储能材料的储能温度范围和储能密度是相变材料的主要物理性能,研究此性能常用的方法有差示扫描量热法DSC 和热分析法TA 法。DSC 法和TA 法都可以测试出相变材料的熔点(范围)、冰点(范围)以及相变材料的过冷度。另外,DSC 分析还可以提供熔解热、固化热等反应材料性能的重要数据;而TA 分析可以反应出新相的形成和分离现象。在DSC 测量中,所用试样尺寸很小,样品的过冷现象特别严重,但析出程度大大降低,因此,为了解相变材料在工程应用中的特性,TA 方法同样非常重要。,（2）TG 分析,在研究相变储能材料稳定性和储热能力时,经常用到
8、TG 分析法。通过TG 检测,从其曲线中可以看出相变材料在不同温度范围内的挥发和储热放热能力。,（3）时间温度曲线法,时间温度曲线法属于非稳态法测量导热系数的方法,利用圆柱体的一维非稳态传热模型导出的计算式,只要测量相变储能材料完全相变的时间即可得到导热系数。该方法的原理及装置简单,操作方便,所用材料的量较大,可以同时测量相变储能材料的潜热、相变温度、导热系数等多个物性,并且克服了以往在测量导热系数时只能测定特定形状的固态物质的不足,它可以用来测量任何形状形态物质的导热系数,尤其是可以测量液态物质的导热系数,为实际应用带来了很大的方便。,（4）扫描电镜(SEM),扫描电镜可以对制备出的相变材料
9、断面进行观测,以确定其结构的均匀性和稳定性。,5.相变储能材料的应用,相变储能材料在许多领域具有应用价值，包括太阳能利用、电力调峰、废热利用、跨季节储热和储冷、食物保鲜、建筑隔热保温、电子器件热保护、纺织服装、农业等。,（1）.在太阳能方面的应用,太阳能清洁、无污染，而且取用方便。利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一。但是到达地球表面的太阳辐射能量密度偏低，且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约，表现出稀薄性、间断性和不稳定性等特点。为了保证供热或供电装置的稳定不问断的运行，需要利用相变储能装置，在能量富裕时储能，在能量不足时释能。,（2）.工业余热利用,在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部门
10、都有大量的各式高温窑炉，它们的能耗非常之大，但热效率通常低于30，节能的重点是回收烟气余热。传统的做法是利用耐火材料的热熔变化来储热，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小30 50，同时可节能15 45，还可以起到稳定运行的作用。,（3）.在建筑方面的应用,有关资料显示，社会一次能源总消耗量的13用于建筑领域。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著的经济效益和社会影响。利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能来蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内的温度波动，提高舒适度，以及节约能耗。,
