相變儲(chǔ)能技術(shù)介紹及其展望

1、相變儲(chǔ)能技術(shù)介紹及其展望 能動(dòng)學(xué)院能動(dòng)A02王來升2010201104相變儲(chǔ)能技術(shù)介紹及其展望摘要：相變儲(chǔ)能材料作為一種提高能源利用穩(wěn)定性以及效率的技術(shù)越來越受到人們重視，如何有效的對相變儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究越來越受到人們的重視。關(guān)鍵詞：相變材料；應(yīng)用；展望0引言：能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。隨著人類生活以及生產(chǎn)活動(dòng)的高速發(fā)展，我們對能源的需求量越來越大，而化石能源的日益枯竭、能源利用帶來的污染問題卻越來越嚴(yán)重。如何提高能源的利用效率、最大限度的利用低品位能源、開發(fā)可利用的新能源成為當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)。自20世紀(jì)七十年代石油危機(jī)后，熱能存儲(chǔ)技術(shù)在工業(yè)節(jié)能和新能源利用領(lǐng)域日益受到重視，在我國2000年

2、前后，全面實(shí)行分時(shí)計(jì)度電價(jià)政策后，相變儲(chǔ)能技術(shù)便成為工業(yè)和民用的熱點(diǎn)，尤其是隨著太陽能、風(fēng)能和海洋能等間歇性綠色能源的發(fā)展，相變儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到人們的重視。相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展概況1.1國外相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展概況20世紀(jì)六十年代，美國國家航空航天局就非常重視相變技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用用。1980年美國 Birchenall等提出采用合金作為相變材料1，提出了三種典型狀態(tài)平衡圖和二元合金的熔化熵和熔化潛熱的計(jì)算方法。1991年德國Gluck和Hahne等利用Na2SO4/SiO2制成高溫蓄熱磚，并建立太陽能中央收集塔的蓄能裝置2。2001年Faird等以CaCl2-6H2O作為相變材料采用微膠囊技

3、術(shù)封裝制備了相變儲(chǔ)能地板3。2006年Hammou等設(shè)計(jì)了一個(gè)含有相變材料的混合熱儲(chǔ)能存儲(chǔ)系統(tǒng)4。1.2國內(nèi)相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展概況在我國，二十世紀(jì)七十年代末、八十年代初，中國科技大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院廣州能源研究所等單位就開始了對無機(jī)鹽、無機(jī)水合鹽、金屬等相變材料的理論和應(yīng)用作了詳細(xì)的研究工作。西藏太陽能研究示范中心和華中師范大學(xué)共同利用西藏鹽湖盛產(chǎn)的芒硝和硼砂等無機(jī)水合鹽類礦產(chǎn)加入獨(dú)特的懸浮劑等成功研制出太陽能高密度儲(chǔ)熱材料5。林怡輝，張正國等人采用溶膠凝膠法6，采用二氧化硅作母材，有機(jī)酸作相變材料，合成復(fù)合相變材料。二浙江大學(xué)王永川等人對相變儲(chǔ)能材料及其實(shí)際應(yīng)用作了大量相關(guān)概述。2

4、.相變儲(chǔ)能技術(shù)概念及特點(diǎn)2.1儲(chǔ)能技術(shù)分類（1）顯熱儲(chǔ)能：利用物質(zhì)的熱容量，通過溫度變化存取能量。（2）潛熱儲(chǔ)能（即相變儲(chǔ)能）：通過相變，在恒溫條件下吸收、釋放熱量，包括固- 液相變、固- 固相變、液- 氣相變、固- 氣相變。（3）化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱：利用可逆化學(xué)反應(yīng)過程中的熱效應(yīng)存攝熱量。2.2相變儲(chǔ)能材料分類及相關(guān)介紹2.2.1相變儲(chǔ)能材料要求7（1）儲(chǔ)熱密度大。顯熱材料熱容大；潛熱材料相變潛熱大；化學(xué)儲(chǔ)熱材料反應(yīng)熱效應(yīng)大。（2）穩(wěn)定性好。單組分材料不易揮發(fā)、分解；多組分材料各組分間結(jié)合牢固，不發(fā)生離析。（3）無毒、無腐蝕、不易燃易爆。（4）導(dǎo)熱系數(shù)大便于熱能的存取。（5）不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)化時(shí)體積變

5、化要小。（6）合適的使用溫度2.2.2相變儲(chǔ)能材料分類及介紹8（1）固-氣相變材料（2）液-氣相變材料（這兩種材料一般不用）（3）固-液相變儲(chǔ)能材料固液相變儲(chǔ)能材料研究起步比較早，是現(xiàn)行研究中相對成熟的一類相變材料。其原理是，固-液相變儲(chǔ)能材料在溫度高于材料的相變溫度時(shí)，物相由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量；當(dāng)溫度低于材料的相變溫度時(shí)，物相由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，放出熱量。該過程為可逆過程，因此材料可以重復(fù)使用。且它具有成本低、相變潛熱大、相變溫度范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外研究的作為固-液相變儲(chǔ)能材料主要包括無機(jī)類和有機(jī)類兩種。（4）固-固相變儲(chǔ)能材料固-固相變儲(chǔ)能材料是由于相變發(fā)生前后固體的晶體結(jié)構(gòu)的改變而

6、吸收或釋放熱量的，因此，在相變過程中無液相產(chǎn)生，相變前后體積變化小，無毒、無腐蝕，對容器的材料和制作技術(shù)要求不高，過冷度小，使用壽命長。目前研究的固-固相變儲(chǔ)能材料主要是無機(jī)鹽類、多元醇類和交聯(lián)高密度聚乙烯。3.相變儲(chǔ)能同其他儲(chǔ)能方式的比較以及幾種相變儲(chǔ)能方式的比較3.1相變儲(chǔ)能同其他儲(chǔ)能方式的比較 同其他儲(chǔ)能方式比較，相變儲(chǔ)能方式有以下優(yōu)點(diǎn)（1）相變儲(chǔ)能材料相變時(shí)體積變化較小，且能量密度高，可在較小的空間儲(chǔ)存大量的能量。（2）可重復(fù)利用，性能較穩(wěn)定。（3）物質(zhì)相變時(shí)在等溫或接近等溫的條件下發(fā)生，因此在蓄熱和放能的過程中，溫度和熱流基本恒定。 當(dāng)然相變儲(chǔ)能方式同其他儲(chǔ)能方式比較，其研究起步晚，

7、技術(shù)還不成熟還存在著很多缺點(diǎn)比如：有些相變儲(chǔ)能材料在多次利用后性能會(huì)發(fā)生改變，無法繼續(xù)使用，此外相變儲(chǔ)能材料成本相對較高，是目前利用的一大瓶頸。3.2幾種相變儲(chǔ)能方式的比較9固-液相變材料主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，但是存在過冷和相分離現(xiàn)象，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能不理想：易產(chǎn)生泄露問題，污染環(huán)境；腐蝕性較大，封裝容器價(jià)格高等缺點(diǎn)。與固-液相變儲(chǔ)能方式相比，固-固相變材料具有不少優(yōu)點(diǎn)?？梢灾苯蛹覶成型，不需容器盛裝：固-固相變才來哦膨脹系數(shù)較小，相變時(shí)體積變化較?。翰淮嬖谶^冷和相分離現(xiàn)象，不需要加入防過冷劑和防相分離劑；毒性很低，腐蝕性很小；無泄露問題，對環(huán)境不產(chǎn)生污染；組成穩(wěn)定，相變可逆性好，使用壽命長：裝置簡

8、單，使用方便。固-固相變材料主要缺點(diǎn)是相變潛熱較低，價(jià)格較高。4相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用4.1相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域10相變儲(chǔ)能技術(shù)可以解決能源供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾。同時(shí)其可以儲(chǔ)存不穩(wěn)定的能源輸入從而使其成為穩(wěn)定的能源輸出?；谝陨咸攸c(diǎn)相變儲(chǔ)能技術(shù)大致有以下幾方面的利用：民用電熱器等產(chǎn)品中。工業(yè)余熱利用設(shè)備中電力調(diào)峰新能源（主要是風(fēng)能和太陽能）利用建筑節(jié)能設(shè)備中蓄冷空調(diào)在建筑中得用4.2相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例11（1）多功能儲(chǔ)熱電熱鍋（爐）（發(fā)明專利號(hào)ZL 90108359.3），其特點(diǎn)如下 = 1 * GB3 采用金屬作為相變材料，加熱元器件的工作溫度可安全高達(dá)450580（現(xiàn)市場銷售的

9、電熱鍋工作溫度僅180280）。 = 2 * GB3 具有能量自動(dòng)存儲(chǔ)和釋放功能，不改變輸入功率便可使輸出功率瞬時(shí)增加20%30%，使11.2千瓦電炒、火鍋的瞬時(shí)火力可相當(dāng)于1.31.6千瓦的電炒、火鍋的瞬時(shí)火力，同時(shí)還具有拔掉電源仍可保持沸騰10十五分鐘的特性。（2）在加熱爐上的應(yīng)用加熱爐煙氣回收的熱量，一部分可用于自身助燃空氣的預(yù)熱，另一部分先儲(chǔ)存起來，后用于熱處理爐預(yù)熱及空氣加熱，可用一套儲(chǔ)熱換熱器完成，儲(chǔ)熱換熱器同時(shí)與熱處理爐煙道連接，當(dāng)加熱爐停止工作時(shí)，還可以回收熱處理爐的煙氣余熱，系統(tǒng)如圖 （3）相變儲(chǔ)熱能泵利用相變儲(chǔ)能裝置與熱泵的蒸發(fā)器相結(jié)合做成相變儲(chǔ)熱泵可以從根本上解決常規(guī)熱泵

10、供熱與所需熱負(fù)荷之間的矛盾。熱泵在夜間用電低谷期，利用電加熱器加熱相變儲(chǔ)能材料將熱量儲(chǔ)存起來，供熱泵在白天或其他時(shí)間蒸發(fā)器所用。這樣不僅可以從根本上解決傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)存在結(jié)霜和供需矛盾等問題，還可以提高熱泵的制熱系數(shù)。另外，在低價(jià)的夜間低谷電蓄熱，將蓄存的熱量轉(zhuǎn)移在白天使用，還可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，對電網(wǎng)進(jìn)行峰值調(diào)節(jié)，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。（4）在太陽能發(fā)電當(dāng)中的利用因?yàn)樘柲艿牟贿B續(xù)性，所以常規(guī)太陽能發(fā)電裝置不能夠聯(lián)系工作：白天工作，夜晚不能工作，陰雨天氣也不能工作，這就使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，維護(hù)費(fèi)用加大，且所發(fā)的電不連續(xù)使利用變得困難，若增加蓄熱裝置，在白天太陽光強(qiáng)烈時(shí)蓄熱裝置蓄熱，夜晚沒有陽

11、光時(shí)，蓄熱裝置放熱，使發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，即使陰雨天氣也能正常使用。這樣便能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且所發(fā)出的電壓穩(wěn)定，便于利用。5.相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用展望 相變儲(chǔ)能技術(shù)主要包括：相變儲(chǔ)能材料的選擇、制備、開發(fā)，儲(chǔ)能和換熱裝置及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和保溫，相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域等。 對于相變儲(chǔ)能材料的選擇與制備，各國科學(xué)家已作了大量的工作，很多材料在相變儲(chǔ)能上得到利用，且各國科學(xué)家對各種材料的性能參數(shù)都做了大量工作，如今已建立了一個(gè)詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫，但大多數(shù)相變儲(chǔ)能材料都存在著一定的缺點(diǎn)，比如重復(fù)利用低，多次使用性能不穩(wěn)定，性價(jià)比低等缺點(diǎn)，如何克服這些缺點(diǎn)或找尋更適合的材料是未來相變儲(chǔ)能材料研究的重點(diǎn)

12、。 儲(chǔ)能和換熱裝置及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前還不成熟，如何根據(jù)各種相變儲(chǔ)能材料和應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)相應(yīng)的儲(chǔ)能和換熱設(shè)備，從而更大限度的發(fā)揮相變儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是目前研究的方向。目前相變儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用在新能源的利用、電力調(diào)峰、工業(yè)低溫余熱的利用中。如何適應(yīng)各種應(yīng)用場所選擇合適的相變儲(chǔ)能材料以及相關(guān)的設(shè)備，提高能源的利用效率是未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1 Birchenall C E,Riechman A F. Heat storage in eutectic alloys. Metallurgical Transactions A,1980,11:14151420. 2 Hahne E,Taut U,Gr

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