能源是人類社會生存和發展的血液,在電力供電引起的能源和環境危機越來越被人們關註的情況下,如何開發出新的綠色能源以及提高能源的利用率顯得越發重要。現階段,人們關心比較多的新能源是太陽能,但是太陽能利用和廢熱回收存在時間和空間上的不匹配的問題。相變儲能材料可以從環境中吸收能量和向環境釋放能量,較好地解決了能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾,有效地提高了能量的利用率。同時相變儲能材料在相變過程中溫度基本上保持恒定,能夠用於調控周圍環境的溫度,並且能重復使用。相變儲能材料的這些特性使得其在電力移峰填谷、工業與民用建築和空調的節能、紡織品以及軍事等領域有著廣泛的應用前景。1 相變材料的研究進展1-1 相變材料的分類相變材料是可將壹定形式的能量在高於其相變溫度時儲存起來,而在低於其相變溫度時釋放出來加以利用的儲能材料。它主要由主儲熱劑、相變點調整劑、防過熱劑、防相分離劑、相變促進劑等組分組成。相變材料種類很多,從所儲能量的特點看,分為儲熱材料和儲冷材料兩類。從儲能材料儲能的方式看,可分為顯熱儲能、潛熱儲能和化學反應儲能3類。其中,潛熱儲能是利用相變材料的相變潛熱來儲熱,儲能密度大,儲熱裝置簡單、體積小,而且儲熱過程中儲熱材料近似恒溫,可以較容易地實現室溫的定溫控制,特別適用於建築保溫節能領域。從蓄熱的溫度範圍看,可分為高溫、中溫和低溫3類。高溫相變材料主要是壹些熔融鹽、金屬合金;中溫相變材料主要是壹些水合鹽、有機物和高分子材料;低溫相變材料主要是冰和水凝膠。從材料的化學組成看,可分為無機相變材料、有機相變材料和混合相變材料三類。無機相變材料主要包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等無機物;有機相變材料主要包括石蠟、羧酸、酯、多元醇等有機物;混合相變材料主要是有機和無機***融相變材料的混合物。從蓄熱過程中材料相態看,可分為固液相變材料、固固相變材料、固氣相變材料和液氣相變材料。由於後兩種相變方式在相變過程中伴隨有大量氣體的存在,使材料體積變化較大,因此盡管它們有很大的相變焓,但在工程應用中很少被使用。固液相變材料主要包括水合鹽和石蠟等。固固相變材料相變時不發生相態的轉變,而是相變材料的晶型發生了變化,在晶型變化過程中有熱量的吸收和放出。固固相變材料主要包括高密度聚乙烯、多元醇和具有層狀鈣鈦礦晶體結構的金屬有機化合物。1-2 相變材料的篩選和改進上個世紀80年代美國Dow化學公司對近2萬種相變材料進行了測試,結果表明只有1%的相變材料有使用價值,它們是有合適熔點的水合鹽以及壹些有機相變材料。由於民用建築對材料的性質與經濟因素有嚴格的限制,適用於儲能建材的相變材料就更少了。用於低能耗建築的理想相變材料應滿足以下幾項要求:(1)相變材料的室內設計溫度或者供暖、空調系統要求的溫度範圍內;(2)具有足夠大的相變潛熱;(3)相變時膨脹或者收縮要小;(4)相變的可逆性要好;(5)無毒性、無腐蝕性;(6)制作原料廉價易得。但是實際上,能夠滿足以上各種條件的理想相變材料是不存在的。所以,需要對相變材料進行改進。對相變材料的改進主要有以下兩種方法:(1)將幾種有機物配合成二元或者多元相變材料,也可以將有機物與無機物復合,從而制得合適相變溫度以及相變潛熱的相變材料。(2)制備壹直保持固體形狀的固液相變材料。這類相變材料的主要組成成分有兩種:工作物質和載體基質。前者用來儲能,主要是固液相變材料;後者可以保持材料的不流動性和可加工性,載體基質的相變溫度壹般都較高,載體基質不僅要有結構材料的壹般特性,還要與相變材料相容、無腐蝕、無化學反應及成本低等。1-3 相變材料的制備方法目前制備相變材料的方法主要有以下3種:(1)基體材料封裝相變材料法基體材料封裝相變材料法就是把基體材料按照壹定的成形工藝制備成微膠囊、多孔或三維網狀結構,再把相變材料灌註於其中或把載體基質浸入熔融的相變材料中。其中微膠囊化技術包括界面聚合法和原位聚合法:(1)界面聚合法是將兩種反應單體分別存在於乳液互不相溶的分散相和連續相中,而聚合反應是在相界面上發生的。這種制備微膠囊的工藝優點為可以在常溫下操作,而且方便簡單、效果好。缺點是對壁材要求較高,被包覆的單體要有較高的反應活性;制備出的微膠囊夾雜有少量未反應的單體;界面聚合形成的壁膜的可透性壹般較高,不適於包覆要求嚴格密封的芯材等。(2)原位聚合法的技術特點是:單體和引發劑全部置於囊心的外部且要求單體可溶,而生成的聚合物不溶,聚合物沈積在囊心表面並包覆形成微膠囊。(2)基體和相變材料熔融***混法本方法是利用相變物質和基體的相容性,熔融後混合在壹起制成組分均勻的儲能材料。此種方法比較適合制備工業和建築用低溫的定形相變材料。(3)混合燒結法本方法首先將制備好的微米級基體材料和相變材料均勻混合,然後添加壹定量的外加劑球磨混勻並壓制成形後燒結,從而得到儲能材料。1-4 相變材料的表征相變材料的表征目前沒有統壹的標準,李棟[1]等人給出了4種較為全面的表征方法,包括差示掃描量熱法(DSC)和熱分析法(TA)、TG分析法、時間-溫度曲線法以及掃描電鏡法(SEM)。掃描量熱法(DSC)和熱分析法(TA)主要用來表征相變材料的儲能溫度範圍和儲能密度。TG分析法主要是用來研究相變材料的穩定性和儲熱能力。時間-溫度曲線法主要是用來測量相變材料完全相變的時間,從而計算其導熱系數。掃描電鏡法(SEM)主要是用來觀測相變材料的斷面,以確定其結構的均勻性和穩定性。2 相變儲能材料在建築領域的應用2-1 相變儲能材料在建築中的應用歷史與現狀相變材料應用於建築的研究開始於1982年,由美國能源部太陽能公司發起。1988年起由美國能量儲存分配辦公室推動此項研究。Lane在其著作《太陽能儲存———潛熱材料》壹書中對20世紀80年代初以前相變材料和容器的發展作了總結。20世紀90年代以相變材料處理石膏板、墻板與混凝土構件等建築材料的技術發展起來了,隨後,相變材料在石膏板、墻板與混凝土構件的研究和應用得到了發展,主要目的是增強輕質結構的熱容。美國Neeper估計相變墻板能轉移居民空調負荷中90%的顯熱負荷到用電低谷期,可降低30%的設備容量。Oakbridge國家實驗室在1990年得出結論:在太陽房中,相變墻板能明顯降低附加能量的消耗,回報期大約是5年。日本的Kanagawa大學和TokyoDenki大學的研究人員對相變墻板的儲熱性能進行了研究。他們得出了相變墻板的使用使得熱負荷更加平緩,輻射域更加舒適,用電量下降,有消減峰負荷的可能的結論。國內對相變建築材料的研究起步較晚,張寅平研究了無水乙酸鈉和尿素的***混物,其相變溫度在28~31℃。同濟大學則主要以工業級的硬脂酸丁酯為相變材料進行建築節能混凝土材料的研究。2-2 建築用相變儲能材料的封裝技術相變材料與基材的結合方式主要有直接加入、浸泡和封裝3種。直接加入法便於控制加入量,浸泡法則可對成品建築材料進行處理。但是,采用這兩種方法制備的相變儲能建材耐久性差,主要表現為相變工質的泄露和對基材的腐蝕。封裝方法有效地解決了上述問題。封裝包括大體積封裝和微體積封裝。大體積封裝是將相變材料裝入管件、袋子、板狀容器或者其他容器中,這種容器化相變材料已經被市場應用到太陽能領域,但是由於其在相變時與環境接觸的面積太小,使得能量傳遞不是很有效。因此,微體積封裝越來越吸引人們的眼球。微觀封裝,是指把載體基質做成微膠囊、多孔泡沫塑料或者采用易成膜物質。現階段將相變材料微膠囊化研究的較多。微膠囊相變材料可與傳統建築材料直接復合,工藝簡單,化學性能穩定,儲熱量高,導熱率高。2-3 相變儲能材料的相變機理。
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