相变储能材料的应用及未来展望

2016/9/17 9:23:19

  1.在太阳能供暖系统上的应用

  相变储热材料用于储热具有环保、高效、节能、安全等多项优势,非常适合于太阳能供暖系统储热,以替代传统的取暖设备。组合式相变储热单元换热器为方形结构,主要由钢板、折流板、高密度聚乙烯管组成。相变储热材料用石蜡封装在管内,每根管内都留有5%~10%的空余空间,用来避免储热材料受热膨胀将管胀裂,这种供暖系统在实际中已有应用。

  2.在工业加热过程的应用

  在工业加热设备的余热利用系统中,传统的储热器通常是采用耐火材料作为吸收余热的储热材料,由于热量 的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热容变化,这种储热室具有体积大、造价高、热惯性大、输出功率逐渐下降等缺点,在工业加热领域难以普遍应用。

  相变储热系统是一种可以替代传统储热器的新型余热利用系统,它主要利用物质在固/液两态变化过程中潜热的吸收和释放来实现热能的贮存和输出,潜热与显热容相比较不仅包含有更大的能量,而且潜热的释放是在恒定温度下进行。

  与常规的储热室相比,相变储热系统体积可以减少30%~50%;因此,利用相变储热系统替代传统的储热器,不仅可以克服原有蓄热器的缺点,使加热系统在采用节能设备后仍能稳定地运行,而且有利于余热利用技术在工业加热过程的广泛应用。

  3.在纺织行业中的应用

  在服装中加入相变材料可以增强服装的保暖功能,甚至使其具有智能化的内部温度调节功能。根据使用要求可以生产具有不同的相变温度的产品,如用于严寒气候的41级纤维的相变温度在18.3~29.4℃,用于运动服装的43级纤维的相变温度在32.2~43.3℃。

  相变储能纤维的智能调温机理是:当人体处于剧烈活动阶段会产生较多的热量,利用相变材料将这些热量储藏起来,当人体处于静止时期,相变材料储藏的热量又会缓慢地释放出来,用于维持服装内的温度恒定。

  4.在建筑领域的应用

  建筑围护结构的相变墙体,是由适宜的相变材料与建材基体复合而成。这种墙体可充分利用夜间低价电蓄热,供次日白天作辅助热源,降低采暖系统的投资与能耗,改善室内环境。相变墙体的研制,选择合适的相变材料至关重要。因此,人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大相变潜热的相变材料,而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

  近年来,国际上出现了一类新型相变材料即定形相变储热材料。这类材料的出现,使建筑行业中利用墙体储热成为可能。这类相变材料在相变前后均能维持原来的形状(固态),它对容器要求很低,大大降低了相变储热系统的成本;而且某些性能优异的定形相变材料可以与传热介质直接接触,使换热效率得到很大提高。

  5.对相变材料的未来展望

  传统的相变材料主要通过固—液相变材料进行储能和释能。目前,具有特殊功能的相变材料是研究开发的热点,如固—固相变材料,或者应用物理或化学的方法使固—液相变材料转变为具有固—固相变材料特性的材料等。

 随着纳米材料和纳米技术的发展,研究人员也有利用插层法在层状硅酸盐中插入有机相变材料制备出有机/无机纳米复合相变材料。有的利用溶胶—凝胶法采用二氧化硅作母材,有机酸作相变材料,合成三维网状纳米复合材料,具有良好的储热能力。将纳米技术与复合相变蓄热材料结合,制备新型、高效的纳米复合材料蓄能相变材料,对提高能源利用效率、保护环境具有十分重要的现实意义。

  目前,关于相变材料的研究和应用还有很多工作要做,它们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。但是,由于其相变过程独有的优点,可以预见,固—固相变材料在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料,相变墙体的出现将对储能材料的建筑节能有很大的推动作用,使居民住房逐渐走向绿色环保化。同时由于矿物具有天然多孔性能,固—固相变储热材料也将和矿物有更紧密的结合。

 

  相变储能材料今后研究的方向主要有:

  ①研制出系列相变温度范围的固—固相变材料;

  ②如何改善相变材料的导热性能和相变速率;

  ③如何根据相变机理提高其相变焓,研制出高能量密度的相变材料;

  ④掌握相变材料之间的复合原则,以及如何复合来提高材料的性能以弥补不足;

  ⑤开发多功能相变材料,如导电相变材料、可微波加热的相变材料、防水相变材料、可杀菌防虫蛀的相变材料、形状记忆相变材料等;

  ⑥降低成本,实现工业化。


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