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相变储能材料-王蒙


渭南师范学院

本科毕业论文
题 学 目:相变储能材料 院: 化学与生命科学学院 高分子材料与工程 1 班 2015 王 蒙 110844028

专业班级: 毕业年份: 姓 学 名: 号:

指导教师: 刘 展 情 副教授 渭南师范学院教务处 制

相变储能材料的研究情况
王蒙


(渭南师范学院 化学与生命科学学院 材料工程系 11 级 1 班)

摘 要:

相变储能物质的存在形式通常分为固态、液态和气态,相变是指物质从一种聚

集态到另外一程中吸收和释放的那部分能量称之为相变潜热。相比较于显热,相变潜热一般较大, 一般比物质的热容量高 1-2 个数量级。 能源是人类赖以生存的基础,但是在能量供给之间常常存在时间和空间上不匹配的矛 盾,目前许多能源不能得到合理充分的利用。 相变储能技术是指在相变储能材料发生相变的过程中将热能储存起来,并且 需要时再将储存的热能释放出来。相变材料具有蓄/放热过程近似等温、储能密

关键词:相变储能;相变潜热;能源

1.相变储能材料的研究概况
相变储能在日常生活中的应用己有几千年的历史。如古代人们已经开始利用 冰来贮冷。但相变贮能的研究真正兴起是在上个世纪六十年代。提高能源的利用 率和宇航业的发展对相变材料提出了应用需求,促进了相变贮能的发展。 相变储能的研究主要归结为两大部分,一部分是相变材料的研究,包括材料 的制备方法和技术,相转变机理,材料的物理性质(熔点、潜热等)及材料与容 器的相容性,材料的使用寿命及稳定性(如有无熔析、过冷现象及寻求控制、排 除这些现象的方法)等,另一部分就是热物理问题的研究,包括相变储热器的设 计、提高相变材料导热能力的措施、储热装置的强化传热及运行情况的控制。 上个世纪 70 年代能源危机以来,相变储能的基础和应用研究在世界发达国家

迅速崛起并得到不断发展。其研究和应用涉及材料学,太阳能,工程热物理,空 调和采暖及厂业废热利用等领域。应该说相变储能理论是生长于上述诸多领域中 的新学科,它的发展经历了一个从无到有,从简单现象到深刻理论和应用的发展 过程。 国内相变储能材料的研究始于九十年代初,中国科学院广州化学所、中国科 技大学、清华大学、华中理工大学、北京航天航空大学、重庆大学等多所大学和 研究单位相继展开了相变贮能材料的开发和研究工作。但总的来说,我国相变储能材 料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱。目前政府和工业界对 节能和温控材料及技术研究很重视,投入了大量的经费进行攻关。有理由相信, 我国在相变贮能材料和技术领域很快会取得突破性进展。

2 相变储能材料的基本原理
相变材料的相变形式一般可分为下面四类: (1)固一气相变(solid-gas) (2)液一汽相变(liquid-gas) (3)固一液相变(solid-liquid) (4)固一固相变(solid-solid) 大多数物质的相变形式只有三种:固态一液态,液态一气态,固态一气态。除这 三种相转变类型外,少数物质或在特定的状态还可发生固一固形式的相转变,如可 以由一种结晶形态转化为另一种结晶形态,即晶型转变,或者结晶态转变为无定型 态,这些相变过程中物质均保持为固态,称为固一固相转变,我们所研究的 超支化聚氨酷就是一种由结晶态转变为无定型态的固一固高分子相变材料。 以上四种形式的相转变均为一热力学过程,相变潜热是衡量一种物质热力学 性能优劣的一个重要标尺。把相变物质视为一热力学体系,其相变潜热是单位质 量物质相转变过程所吸收的热量(焦耳/克,工程上常用的单位为千卡/公斤),在 数量上等于相变过程中体系焙变化 。相变过程中体系焙的变化来自体系嫡的变化,即 相变前后物质分子运动自由度的变化。分子运动自由度变化愈大,则相变烩和相变潜 热愈大。上式还表明,相变潜热和相变温度有关,在相同的相变嫡的情况下,相变温 度愈高,相变潜热也愈大。

4.相变储能材料的选择标准
目前虽然 PCM 广泛应用于各个领域,但并不是所有可以发生相变的物质都可以用 作热能贮存和温度控制,不同的应用领域对相变材料有不同的要求。作为一种有实际 价

值的储热相变材料必须符合以下条件,这些是作为一种相变材料取舍的关键因素。 1、热性质:有适合的相转变温度(如用作保温服饰及建材的相变材料的相变 温度必须在 20-30℃之间,用于电子元件散热降温的相变材料的相变温度在 40-80 ℃之间);较大的贮能容量,也就是较高的相转变潜热;适宜的热传导系数; 2、相转变过程必须完全可逆,而且正过程和负过程的方向仅仅具有温度依 赖性。 3、物理性质:有利的相平衡,蒸气压低,密度高,体积变化越小越好; 4、动力学性质:不过冷或低过冷现象,有适当的结晶温度; 5、化学和物理稳定性:长期化学稳定性,循环使用率高、无毒、无腐蚀、 不易燃、不污染环境; 6、经济性:原料丰富,来源易得;生产工艺不能太复杂;成本较低。 在实际应用中,完全满足这些要求的材料很少,但在材料的研究和开发过程 中,必须尽量考虑全面,对材料进行改性以提高材料的热力学性质或通过其它辅 助材料复合的方法来改善材料的性能,提高材料的实际应用价值和使用范围。

3.相变储能材料的种类

目前大多数实用化且研究较为成熟的相变储能材料为固一液相变储能材料,如 无机结晶水合盐及熔融盐、石蜡、脂肪酸、聚乙二醇等,但由于固一液相变材料在相 变过程中会出现液体状态,必须用容器包装,这样不但增加系统的成本,而且不能应 用于许多无法携带的场合,使其应用范围受到一定的限制。

近年来,固一固相变材料(solid-solid phase change materials)的研究和应用 得到迅速的发展,尤其是高分子固一固相变材料以其储热容量大,相变体积变化小, 不存在过冷和相分离现象,不需要加入防过冷剂和防相分离剂,毒性很低,腐蚀 性很小,容易制成各种形态,可与其它材料结合,甚至可直接用作系统材料等许 多优点成为相变储能材料中最有发展前途的研究领域。

目前,已开发出许多具有经济和实用价值的高分子固一固 PCM,其中有的己

经商业化和实现了工业规模生产。高分子固一固 PCM 具体的分类和结构如下:

5.相变材料中研究的热点问题

经过 30 多年的发展,相变材料的应用技术已经很成熟。经过三十多年的发展, 相变材料的应用技术己经很成熟。虽然目前己经开发出了无机盐、有机小分子到 有机高分子等多种不同性能的系列相变材料,部分材料己经实现了工业应用,但 随着科学与技术的发展,储能和温控技术对相变材料性能的要求越来越高,现有 材料已不能适应工业发展的要求,不断研究和开发具有优异性能的新型相变材料 是目前相变储能研究中的重要问题。 目前相变材料在贮能和温控工业中最为广泛的用途是作为介质材料,其中使 用最多的还是无机盐水合物相变材料。但随着现代科技的发展,相变材料的应用 由介质材料向结构材料和功能材料转化是发展的必然趋势。高分子材料由于易于 加工和成型,能制成板材、管材及纤维而实现结构化和功能化应用,因而高分子 相变材料的研究自然成为新型相变材料研究和开发中的重要内容。该项工作主要 包括两个方面:一是研究和制备以高分子为相变介质的固态相变材料,实现结构 和功能化;另外一个方面就是如何实现将固一液相变的无机盐水合物和有机多元 醇相变材料与高分子复合,兼容相变材料的储能性能和高分子材料的可加工性能, 制备出可进行成型加工的结构化或功能化复合材料。目前相变材料研究的重点己 经由无机盐和有机小分子相变材料转移到复合高分子相变材料,以下两个问题是 相变材料研究和开发中的热点: (1)高分子固态相变材料的制备及应用研究; (2)复合高分子相变材料粒子的超细化研究。 十年前,美国已经开始了对聚乙烯高分子相变材料的研究。但聚乙烯是固一 液相变材料,同时其熔点温度范围太宽,上述的问题制约了该类材料的应用和发 展。 聚乙二醇(PEG)是目前研究应用较多的 PCM。当其重复单元数超过 16 时在室 温下为结晶固态,当温度上升至熔点(分子量不同,熔点不同)时,不经玻璃态直 接变成液态。PEG 具有较大的相变焙(高达 197J/g ),熔点温度比较窄,具有较好

的化学稳定性和热稳定性。为了制备可调温纤维,PEG 常常被接枝(也有共混 的,但不稳定极易脱离)到纤维素或化学纤维上,但由于 PEG 的接枝率低,PEG

7.相变储能材料的应用

持续增长的温室气体的排放以及不断上升的能源价格使开发新的可再生能 源提到了重要议事口程上来了。在世界很多国家和地区,直接的太阳能辐射被认 为是一种最优发展前途的新能源。对太阳能的利用,合适的储能设备是关键。当 前科学家们面临的最大挑战就是如何选择一种合适的储能设备,利用这种储能设 备可以使能量按照所需要的形式释放出来。定型相变材料作为储存热能的一种载 体在当前太阳能的开发中发挥了重要的作用。 1.太阳能厨具 利用相变材料储存热量使夜晚利用太阳能厨具加热食物变为现实。等人系统研究 了利用相变储能材料作为能量储存的媒介应用于盒子状的太阳能加热器用于食物的烹 调。 2.太阳能温室 温室是太阳能利用的另外一种有效的途径。利用温室可以提高大棚或者是玻 璃房内的温度,使植物可以在合适的温度条件下生长。然而在北方,温室内的温 度在夏季的往往温度过高,冬季却又常常偏低,并不能实现稳定在一个相对狭窄 的范围内,更加不利的是,温室环境的湿度太大。这些不利因素,影响了植物的 正常的生长。科学家们发现,引入含结晶水的相变材料如 CaC12}6H20 , NaZS04}1OH20 可以一次性的解决上述两个棘手的问题。在高温情况下, CaC12/NaZSO、能够吸收空气中的水分变成相应的水合物,在这一相变过程会吸收 热量,实现能量的储存;在温度较低的上述水合物会发生前一过程的逆反应,失 去水分子,放出热量,这一相变过程在一方面会提高温室的温度,另一方面提高 了室内的空气湿度。 3.生态建筑业方面的应用 自从 1980 年,相变材料就一直被应用与建筑物的能量储存。相变材料被广 泛应用于“特兰勃墙”、人造壁板、百叶窗、地板下加热系统、以及天花板等建 筑原材中。相变材料在建筑物中使用有两个不同的目标。首先利用自然能源一太 阳能为建筑物提供热量。第二利用化石燃料燃烧产生的热量为建筑物提供热源。 特兰勃墙又叫混合型太阳能加热系统。相变材料被用来代替砖石而应用于在 特兰勃墙中,理论研究表明基于相同的储存热量条件下,由于相变材料的热容高 于水,因此它所需要的体积要小于由水构成的特兰勃墙。 (指导老师:刘展情)

参考文献: 【1】李艳,相变储能材料热性能研究

【2】刘飞,储能材料化学制备与性能研究 【3】王想红,微纳结构复合材料固-固相变储能性能的研究 【4】曹琪,超支化聚氨酯储能和形状记忆材料的研究

Research SO2F2 and H Reaction Mechanism
Wang meng (Chemistry and Life Sciences, Materials Engineering, Weinan Teachers College 11 1 class) Abstract:


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