相變儲能材料的發(fā)展歷史

【專家解說】：相變儲能建筑材料 相變儲能建筑材料 在其物相變化過程中，可從環(huán)境中吸收熱(冷)量或向環(huán)境中放出熱量，從而達到能量儲存和釋放及調節(jié)能量需求和供給失配的目的。它兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點，能夠吸收和釋放適量的熱能;能夠和其他傳統(tǒng)建筑材料同時使用;不需要特殊的知識和技能來安裝使用蓄熱建筑材料;能夠用標準生產(chǎn)設備生產(chǎn);有顯著的節(jié)能降耗效應，在經(jīng)濟效益上具有競爭性。 相變儲能建筑材料應用于建材的研究始于1982年，由美國能源部太陽能公司發(fā)起。20世紀90年代以PCM處理建筑材料(如石膏板、墻板與混凝土構件等)的技術發(fā)展起來了。隨后，PCM在混凝土試塊、石膏墻板等建筑材料中的研究和應用一直方興未艾。1999年，國外又研制成功一種新型建筑材料-固液共晶相變材料，在墻板或輕型混凝土預制板中澆注這種相變材料，可以保持室內(nèi)溫度適宜。另歐美有多家公司利用PCM生產(chǎn)銷售室外通訊接線設備和電力變壓設備的專用小屋，可在冬夏天均保持在適宜的工作溫度。此外，含有PCM的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁、飛機跑道等在冬季深夜結冰。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對相變儲能材料的研究工作始于20世紀60年代。最早是以節(jié)能為目的，從太陽能和風能 的利用及廢熱回收，經(jīng)過不斷的發(fā)展，逐漸擴展到化工、航天、電子等領域。近年來最主要的研究和應用集中在建筑物的集中空調、采暖及被動式太陽房等領域。國外研究機構和科研人員對蓄熱材料的理論研究工作，尤其是對蓄熱材料的組成、蓄熱容量隨熱循環(huán)變化情況、相變壽命、儲存設備等進行了詳細的研究，在實際應用上也取得了很大進展。 相對于已經(jīng)進入實用階段的發(fā)達國家，我國在20世紀70年代末80年代初才開始對蓄熱材料進行研究，所以國內(nèi)相變儲能材料的理論和應用研究還比較薄弱。上世紀90年代中期以來，國內(nèi)研 究重點開始轉向有機相變材料和復合定形相變材料的研究開發(fā)。 最新的研究進展 1 建筑節(jié)能領域 相變儲能材料作為一種熱能儲存材料在建筑節(jié)能領域得到了廣泛應用，如相變混凝土、相變墻 板等。它通過相變材料的相變過程儲存能量，從而實現(xiàn)對建筑的溫度調節(jié)、節(jié)省電能等。 吳曉琳等采用聚氨酯硬質泡沫作為封裝材料，十八烷為相變材料，以自制納米氧化硅作為穩(wěn)定劑與成核劑，采用原位封裝的方式制備了一種聚氨酯復合相變儲能材料。結果表明該聚氨酯基復合相變材料具有微納米級均勻的微觀結構，相變材料均勻地分布在聚氨酯中，相變特性不受聚氨酯 的影響，具有較高的結構穩(wěn)定性。唐正生等將浸漬有Na2SO4的稻稈與特定組成的硅酸鹽水泥漿體拌合，經(jīng)模壓制備出了一種稻稈/Na2SO4定型相變板材。測試結果表明該板材具有強度高、阻燃性好、蓄熱密度大等優(yōu)點，且經(jīng)實驗證實稻稈能裝載自身質量4的Na2SO4·10H2O，板材經(jīng)30次相變循環(huán)后質量損失為1.87%，因此具有很高的實際應用價值。 2 電子信息領域 近年來，電子技術的迅速發(fā)展，使電子設備越來越趨向于微型化、高集成化和大功率化，抗熱 沖擊和使用壽命等問題成為制約電子技術發(fā)展的瓶頸，因而相變技術被應用到了電子信息領域，并逐漸成為研究的熱點。 高學農(nóng)等采用物理吸附法制備了一種石蠟/膨脹石墨復合相變儲能材料，具有較高的相變焓和良好的傳熱性能。將其應用于電子器件的熱管理中，通過模擬芯片實驗研究了該石蠟/膨脹石墨復合 相變材料控溫電子散熱器的性能，結果表明可有效降低模擬芯片的升、降溫速率，延長散熱器的控溫時間，降低電子器件因溫度瞬間升高而燒壞的可能性，實現(xiàn)對電子器件的保護。 中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所經(jīng)過多年努力，發(fā)現(xiàn)了自主SiSbTe體系相變材料， 了SiSbTe具有低于傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5的功耗、更高的數(shù)據(jù)保持力和更快的相變速度。且經(jīng)過工程化反復驗證，確定了SixSb2Te3體系，當x在3-3.5區(qū)間內(nèi)，PCRAM單元在數(shù)據(jù)保持能力、粘附能力、體積變化、疲勞使用壽命、操作可靠性、功耗等方面均優(yōu)于Ge2Sb2Te5，并已在12寸工藝平臺上進行了實驗。該材料體系的發(fā)現(xiàn)對于打破國際技術壟斷，推動我國自主開發(fā)的PCRAM芯片具有重要的學術價值和商業(yè)價值。 3纖維紡織領域 相變纖維材料的開發(fā)為高功能的智能紡織品研究提供了新的途徑。相變纖維及其紡織品可以滿足消費者在“多功能”、“舒適性”方面的要求，因而具有很大的應用前景。 韓娜等以正構烷烴和聚合物相變材料為芯層,聚丙烯為纖維的皮層,采用雙組分熔融復合熔融紡絲法制備儲熱調溫纖維。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、差示掃描量熱儀(DSC)和單纖維電子強力儀等觀察纖維的形貌,研究纖維的熱力學性能和力學性能。結果表明:纖維的結構致密,具有明顯的皮芯分界,相變材料質量分數(shù)為28%時,纖維的熱焓可達到36~40 J/g,對纖維進行2.75倍的牽伸后處理,斷裂強度和伸長率分別為2.3 cN/dtex和29%,可滿足紡織服裝的應用要求。 張梅等[13]利用靜電紡絲法制備了一種具有相變性能的PVA/PEG復合納米纖維，并對制備工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。結果表明,PVA/PEG共混溶液通過靜電紡絲可獲得分布較均勻的復合纖維，但PEG的存在影響PVA的成纖效果，其中PVA/PEG的百分含量為4:6的混合溶液成纖較好;通過紡絲參數(shù)的研究，確定了最佳的紡絲條件，15Kv/10CM;PVA/PEG復合納米纖維具有可逆的相轉變過程，Tm和Tc值與PVA/PEG質量百分含量和PEG2000與PEG4000的共混比例有關。 4軍事領域 由于相變材料具有高的儲能密度，并且在吸熱(放熱)過程中具有溫度不變的特性，因而在熱紅外偽裝和熱紅外假目標方面也有廣闊的應用前景. 孫文艷等采用微膠囊技術，對正十四烷、正十八烷、石蠟3種相變材料進行封裝，將其制成紅外隱身涂料并應用于軍事目標中，以控制目標表面熱慣量及表面溫度，消除或降低目標與背景的紅外輻射差別，從而實現(xiàn)了對背景紅外特征的模擬。將制備的涂料涂覆在卡車模型上，結果表明在 荒漠丘陵熱圖背景下明顯提高了目標的紅外隱身性能。 未來展望以及發(fā)展趨勢 隨著人們對節(jié)能問題的日益重視以及環(huán)境保護意識的逐步增強，相變儲能材料必將在將來發(fā)揮更大的作用，其應用前景也會越來越廣闊。但是，目前在相變材料研發(fā)的過程中仍有許多需要解決的問題，如穩(wěn)定性差、壽命短等，因此相變材料未來的研究重點是根據(jù)環(huán)境條件要求，研制出具有合適的相變溫度與相變焓，并且能夠長期使用，物理化學性能穩(wěn)定、經(jīng)濟環(huán)保的相變材料。