相变材料与相变储能技术

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1、相变材料与相变储能技术王兴华2011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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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1995年2000年Neeper对注入

7、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2006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

8、料。863计划研究将金属相变储能锅炉应用于太阳能热发电2008年开始20世纪90