相变材料与相变储能技术-精选文档-精品文档

相变材料与相变储能技术王兴华2019年7月主要内容12345概述研究和应用现状相变储能技术的原理和特点相变储能材料结语第一节概述热能储存是能源科学技术中的重要分支。在能量转换和利用的过程中，常常存在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如电力负荷的峰谷差，太阳能、风能和海洋能的间隙性，工业窑炉的间断运行等。由于储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段。能量储存的方式包括机械能、电磁能、化学能和热能储存等。热能储存又包括显热储存和潜热(相变热)储存，显热储存是利用材料所固有的热容进行的；潜热储存，或称相变储能，它是利用被称为相变材料的物质在物态变化(固—液，固—固或气—液)时，吸收或放出大量潜热而进行的。由于热能储存在工业和民用中用途广泛，因此，在储能技术领域占有极其重要的地位。相变材料(phasechangematerials，PCM)或称相变储能材料，它属于能源材料的范畴。广义来说，是指能被利用其在物态变化时所吸收(放出)的大量热能用于能量储存的材料。狭义来说，是指那些在固—液相变时，储能密度高，性能稳定，相变温度适合和性价比优良，能够被用于相变储能技术的材料。显然，相变储能(热和冷)技术是以相变储能材料为基础的高新技术，因为它储能密度大且输出的温度和能量相当稳定，所以具有显热储能难于比拟的优点。目前，相变储能技术可作为工业节能系统和高新技术产品开发的基础，用以满足人们对系统和产品的特殊性能及成本的要求。它可以利用电热蓄能(冷和热)来“电力削峰填谷”,也可用于新能源、工业余热利用、新型家用电热电器的开发及航空航天等领域。在新能源，如太阳能、风能和海洋能等间歇性绿色能源利用方面，相变储能技术也具有非常重要的作用。我国的能源利用率很低，大约30％以上，与发达国家的40％～50％相比，还有较大的距离。我国的环境保护还存在许多问题，因此，研究、掌握和利用一切可行的高新技术，包括相变储能技术来提高我国的能源利用率及改善环境。是我国从事材料与能源工作的科技人员、企事业管理人员和工人的神圣职责，也是我们研究和应用相变储能技术的意义。第二节相变材料和相变储能技术的研究和应用现状自20世纪70年代石油危机后，热能储存技术在工业节能和新能源领域的应用日益受到重视。由于相变储能元件及其构成的储能式换热器的体积小，储能密度大和热惯性小，对它的研究和应用已受到各工业发达国的普遍重视。国际上已召开了多次有关储能技术研究及应用专题会议，在新型储能材料及应用技术上亦取得显著的进展。美、英、法、德、日等国家在储能技术研究及应用上都制定了长期的发展规划。相变储能材料是基础，因此在相变储能技术领域，首先是研究和开发相变潜热大，性能稳定和性价比高的相变材料。其次是应用，主要涉及储能元件，储能换热器和储能系统的相变传热，相变材料与换热流体的对流耦合换热，材料的腐蚀与防护，系统的设计等方面。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，近年来，对新相变储能材料的研制，存在从无机到有机、从单一成分到复合材料、从宏观到纳米／微胶囊化的趋势，定形相变材料、相变材料的微胶囊化、功能储能流体等及其在建筑、太阳能等领域的应用成为研究的热点。国外的发展状况：从20世纪70年代起1980年1989年对传统的无机盐、无机水合盐、金属等相变材料进行了连续和系统的研究和应用美国Birchenall等提出采用合金作为相变材料，提出了三种典型状态平衡图和二元合金的熔化熵和熔化潜热的计算方法。美国的Telkes对Na2S04·10H2O等水合盐相变材料做了大量研究工作，并建起了世界第一座PCM被动太阳房。Kedl和Stoval第一次研究制成浸有18烷石蜡的相变墙板。1991年德国利用Na2SO4／SiO2制成高温蓄热砖，并建立太阳能中央接收塔的储热系统。Feldman等采用两种方法制备了相变储能石膏板；日本利用不同含Si量的Al—Si合金相变储能材料进行工业余热回收应用研究2019年2000年Neeper对注入了脂肪酸和石蜡相变材料的石膏墙板的热动态特性进行了测试2019年Hammou等设计了一个含相变材料的混合热能储存系统国内的发展状况：从20世纪70年代末1978年开始中国科技大学、华中师范大学、广州能源研究所等单位就开始了对无机盐、无机水合盐、金属等相变材料研究的工作。葛新石等对相变材料的理论和应用做了详细的研究工作。阮德水等对典型的无机水合盐Na2SO4·10H2O等的相图、储存、成核作用过冷问题、热物性等进行了系统研究。西藏太阳能研究示范中心和华中师范大学共同利用西藏盐湖盛产的芒硝、硼砂等无机水合盐类矿产，加入独创的悬浮剂等成功研究太阳能高密度储热材料。863计划研究将金属相变储能锅炉应用于太阳能热发电2019年开始20世纪90年代有机相变材料进行研究，包括测试材料的热物理性质、化学稳定性及对环保的影响等.石蜡现在常被制成各种定形相变材料、微胶囊材料、复合相变材料等，用于太阳能蓄能系统、空调系统的蓄能和建筑节能中20世纪90年代初对Al—Si合金进行研究和应用，华中科技大学黄志光等用于聚光式太阳灶。广州能源研究所和广东工业大学张仁元、柯秀芳等多年的研究表明，金属具有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数高、性价比良好等特点，在中高温相变储能的应用中具有极大的优势。定形相变储能材料，在相变前后均能维持原来的形状(固态)，可分为固—固定形相变储能材料和固—液定形相变储能材料。定形相变材料独有的性能使其具有广阔的应用前景，在建筑节能领域用做隔热保温墙体材料。固—固相变材料主要有高密度聚乙烯和层状钙钛及无机盐类等。固—液定形相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固—液相变进行储能，可以是各类固—液相变材料，如石蜡、硬脂酸、水合盐、无机盐等。载体基质主要是用来保持材料的不流动性和可加工性。相变材料的研究越来越广泛，有些相变材料也实现了商品化，但人们对高潜热相变材料的稳定性和可靠性问题的研究一直没能取得突破性进展。我们都知道，水合盐类相变材料具有较高的潜热密度，可供选择的熔点范围也很广，是很有应用前景的相变材料，但在研究和实验过程，经多次熔化一凝固热循环后．混合物就出现相分层和过冷现象，从而使相变性能恶化，因此长期以来一直是水合盐类潜热储热技术需要解决的最主要的难题。显然，相变储能材料是相变储能技术的核心和基础。目前，正是由于大多数PCM的长期性能衰减、对容器的腐蚀性和性价比差，使相变储能技术的工程实用和产业化存在一定的困难。除了金属外，所有的相变材料都存在导热系数小，传热性能差的问题，这显然影响能量储放速度，因此，如何在材料上和热交换技术上强化传热依然是相变储能技术需要加强研究的问题。有效减少热损失，强化保温是相变储能技术的重要环节，但对于高温储能，由于目前的保温材料在高温情况下，其导热系数均大于0．1W／(m·K)，这就使得储能装置的体积增大和成本增加，目前的纳米保温材料虽然给良好的保温增加了希望，但如何在材料上加强研究，减少成本仍然是相变储能技术研究的方向之一。在相变机理方面的研究，一直进行得较缓慢。热物性是相变材料应用的主要参数，而目前一些相变材料的热物性(如比热容等)的测试数据较少，尤其是相变材料经过多次熔化一凝固循环前后的比热容等的热物性的变化情况几乎没有报道，在这方面也是相变储能技术需要强化的环节。第三节相变储能技术的原理和特点一、相变储能的几种方式热能可通过物质(材料)的显热或者潜热（相变热)来储存。显热储能系统在储能和释能过程是利用材料的比热容和材料的温度变化来进行的。在不大的温变范围，材料的比热容是基本不变的，因此，显热储能的最大优点是在系统有效的使用寿命周期内，其储能和释能过程是完全可逆的。而且，在系统运行过程中，技术上需要考虑的不稳定因素较少，因此，显热储存系统结构简单，运行方便。但是，其最重要的缺点是储能密度较小，即单位体积所能储存的能量较少，这就使得储能装置的体积往往过于庞大。潜热储存，即相变储能是利用物态转变过程中伴随的能量吸收和释放而进行的。潜热储存比显热储存具有高得多的储能密度。以水为例，水在大气压力下，水沸腾其潜热约为2260kJ／kg，冰融化其潜热是355kJ／kg。而水在一个大气压下，从20℃加热到40℃，温差为20℃的显热仅为84kJ／kg。这就可以看出这两种储能方式效果的明显差别。相变储能技术的基本原理：物质从一种状态变到另一种状态叫相变。物质的相变通常存在以下几种相变形式：固—气、液—气、固—液，而第四种固—固则是属于从一种结晶形式转变为另一形式的相转变。相变过程一般是一等温或近似等温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热。相变潜热一般较大，不同物质其相变潜热差别较大，无机水合盐和有机酸的相变潜热在100～300kJ／kg，无机盐LiF可高达1044kJ／kg，金属在400~510kJ／kg之间。利用这个特点，我们可以把物质升温过程吸收的相变潜热，加上吸收的显热一起储存起来加于利用。固—气和液—气这两种相变，虽然有很高的潜热，但是由于在这两种形式的相变过程中，气体所占据的体积太大，因此，实际上很少利用。固—液相变潜热虽然比气化潜热小很多，但与显热相比就大得多。而更重要的特点还在于在固—液相变过程，材料的体积变化甚小，因此，固—液相变是最可行的相变储能方式。固—固相变时，材料从一种晶体状态转移至另一状态，与此同时也释放相变热。不过，这种相变潜热与固—液相变潜热比，一般情况下，它就比较小。可是，由于固—固相变过程，体积变化很小，过冷也小，不需要容器，因此，它也是很吸引人和可行的相变储能方式。因此，可以看出，固—液相变是目前具有最大实用价值的相变储能方式。对于相变储能来说，这种固—液相变的熔化过程包括了共熔和转熔相变和溶解。相变材料在熔化温度范围的熔化热是可以利用的。在实际的系统中，由于没有达到热动力学平衡，熔化和固化温度并不是恒定的。同化温度与传热率、反应动能以及存在的杂质有关。因此，相变储热(冷)能技术的基本原理是，由于物质在物态转变(相变)过程中，等温释放的相变潜热通过盛装相变材料的元件，将能量储存起来，待需要时再把热(冷)能通过一定的方式释放出来供用户使用。二、相变储能系统的基本要求任何相变储能系统至少包括三个基本组成部分：①在要求的温度范围，有合适的相变材料；②为了盛装相变材料，必须有合适的容器；③具有合适的换热器，这个换热器使热能有效地从热源传给相变材料，然后从相变材料传给使用点。很明显，相变储能系统要求具有相变材料和换热器的知识。对相变储能系统的研发要求可以用下面的流程图来表述。相变储能系统研发在不同阶段的流程图相变储能系统较显热储能系统成本高，而且，相变材料需经历一个固化过程，因此一般情况下，它在太阳能集热器中不适于作为传热介质。这样在换热器中就必须使用与相变材料分开的热输运介质。此外，相变材料的导热系数除金属材料外均较差，这样换热器就要求较大，如果考虑到腐蚀问题，利用特殊的容器也导致成本的增加。但是，在以下三种情况下，使用相变储能最为合适：①要求具有高储能密度，使体积和质量保持最小；②负荷要求具有恒定的温度或温度只允许在极小范围变动；③要求储能装置紧凑，使热损失保持最小的情况下。三、相变储能技术的特点储能过程是通过相变材料来实现的．因此，相变材料是相变储能技术的基础；相变材料相变时的潜热大，因此，它比显热储能密度要大得多；物质相变时是在等温或近似等温条件下发生的，因此．在蓄和放能的过程中，温度和热流基本恒定；换热流体不能与PCM直接接触，因此，必须通过耐PCM腐蚀的储能换热器来实现储放能，初投资成本较高。第四节相变储能材料我们知道，具有合适的相变温度和较大相变潜热的物质，一般情况下均可作为相变储热材料，但实际上必须综合考虑材料的物理和化学稳定性、熔融材料凝固时的过冷度对容器材料的腐蚀性、安全性及价格水平。目前，可应用于相变储热技术的相变储能材料，也就是PCM。我们可以