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。

与电池或电容器不同，相变材料不储存电能，而是储存热量。这是通过利用相变的独特物理性质来实现的——比如材料在固态和液相或液态和气态之间的转变。当热能作用于诸如水之类的物质时，温度升高。然而，当液态水达到接近沸点的温度时，奇怪的事情发生了。



随着能量的增加，温度开始趋于平缓。这是因为必须投入足够的能量来克服所谓的汽化潜热，即将液体转化为气体所需的能量。最终，一旦注入足够的热量，水就会变成蒸汽，温度又会自由上升。这种潜热可以在相对较小的温度变化下在材料中储存大量的能量。这种潜热也存在于固态到液态的相变中，在这里它被称为熔合潜热。通过利用潜热，大量的能量可以存储在实际温度相对较小的变化中，并通过操纵材料的相变来获取。



也许市场上最常见的相变蓄热形式是醋酸钠暖手器。这些暖手器在塑料袋中含有醋酸钠凝胶。当通过调整凝胶中的金属圆盘来给凝胶一个成核点时，它会迅速地从过饱和液体转变为固体。像这样突然冻结释放潜热的材料持有其液态形式，能很好地温暖用户的手。这种材料可以通过加热手柄再次熔化乙酸钠来充电，然后让它慢慢冷却到室温。潜热将被困在液体中，直到它再次受到干扰，导致它再次冻结。



通过相变效应储热的材料种类繁多。石蜡可能是最常用的研究之一，因为它的相变发生在一个有用的温度范围内。然而，它的低热导率限制了能量交换的速度，影响了性能。水合盐是另一种重要的材料，尽管它们本身也面临一些问题。通常，这些材料会经历过冷。当热量从液态物质中提取出来时，其温度会下降到冰点以下，而物质实际上不会变成固体。在不改变相的情况下，潜热仍被困在液体中，不能被提取出来。

像许多电池化学一样，重复循环也会导致问题。相变材料必须在多次循环中保持其性能，不会有化学物质从溶液中脱落，也不会随着时间的推移对材料或其外壳造成腐蚀。对相变储能的许多研究都集中在精炼溶液、使用添加剂和其他技术来解决这些基本挑战。通常，这些材料的细节仍然是商业秘密，因为公司试图通过销售收回研究成本。



相变效应可用于多种功能性储能和节能。热可以作用于相变材料，使其熔化，从而将能量作为潜热储存在其中。多余的电能，例如来自可再生能源的电能，可以很容易地储存在这种相变材料中，因为它可以非常有效地将电能转化为热能。然而，反过来就不那么容易了。



取而代之的是，这种相变装置通常被用来更直接地输出热量——或者用作热水器，或者为制冷过程提供热能。这通常是通过简单地将工作流体（如水或制冷剂）通过与相变材料接触的热交换器来实现的。前者对家庭有很大的适用性，降低了住宅供暖和热水的成本。后者更适用于大型商业和工业设施。尤其是在酿酒和冷藏等行业，制冷可能是一项重要的底线开支，对运营至关重要。即使是在效率上的小百分比的提高或者能源消耗的减少，随着时间的推移也会有巨大的回报。



相变材料的另一个有趣用途是作为建筑物的被动热管理解决方案。这个想法是使用一种熔点在舒适的室温（比如20-25摄氏度）左右的相变材料。这种材料被封装在塑料垫子里，可以安装在建筑物的墙壁和天花板上，还有隔热层。这种材料起到了热缓冲的作用。房间里积聚的热能可以被相变材料吸收，从而保持较低的温度。当建筑物冷却时，材料会释放热量，从而稳定温度。它可以是一种轻量化的方法来增加建筑物的热质量，并且可以减少对暖通空调系统的主动冷却或加热的依赖。



展望未来，相变储能在居住空间中的应用仍然有限。虽然它可以带来好处，但其有限的仅加热应用程序使它不如电池存储可以运行整个家庭的吸引力。然而，对于工业过程，如制冷和过程加热，相变技术有很大的空间被用作廉价和有效的能源储存。随着这一领域研究的进行，随着未来几年节能的重要性增加，我们很可能会看到这项技术在未来得到更多的应用。

像许多电池化学一样，重复循环也会导致问题。相变材料必须在多次循环中保持其性能，不会有化学物质从溶液中脱落，也不会随着时间的推移对材料或其外壳造成腐蚀。对相变储能的许多研究都集中在精炼溶液、使用添加剂和其他技术来解决这些基本挑战。通常，这些材料的细节仍然是商业秘密，因为公司试图通过销售收回研究成本。



相变效应可用于多种功能性储能和节能。热可以作用于相变材料，使其熔化，从而将能量作为潜热储存在其中。多余的电能，例如来自可再生能源的电能，可以很容易地储存在这种相变材料中，因为它可以非常有效地将电能转化为热能。然而，反过来就不那么容易了。



取而代之的是，这种相变装置通常被用来更直接地输出热量——或者用作热水器，或者为制冷过程提供热能。这通常是通过简单地将工作流体（如水或制冷剂）通过与相变材料接触的热交换器来实现的。前者对家庭有很大的适用性，降低了住宅供暖和热水的成本。后者更适用于大型商业和工业设施。尤其是在酿酒和冷藏等行业，制冷可能是一项重要的底线开支，对运营至关重要。即使是在效率上的小百分比的提高或者能源消耗的减少，随着时间的推移也会有巨大的回报。



相变材料的另一个有趣用途是作为建筑物的被动热管理解决方案。这个想法是使用一种熔点在舒适的室温（比如20-25摄氏度）左右的相变材料。这种材料被封装在塑料垫子里，可以安装在建筑物的墙壁和天花板上，还有隔热层。这种材料起到了热缓冲的作用。房间里积聚的热能可以被相变材料吸收，从而保持较低的温度。当建筑物冷却时，材料会释放热量，从而稳定温度。它可以是一种轻量化的方法来增加建筑物的热质量，并且可以减少对暖通空调系统的主动冷却或加热的依赖。



展望未来，相变储能在居住空间中的应用仍然有限。虽然它可以带来好处，但其有限的仅加热应用程序使它不如电池存储可以运行整个家庭的吸引力。然而，对于工业过程，如制冷和过程加热，相变技术有很大的空间被用作廉价和有效的能源储存。随着这一领域研究的进行，随着未来几年节能的重要性增加，我们很可能会看到这项技术在未来得到更多的应用。

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。