[科普中国]-固液相变蓄能

机理

相变材料从液态向固态转变时，要经历物理状态的变化。在这两种相变过程中，材料要从环境中吸热，反之，向环境放热。在物理状态发生变化时可储存或释放的能量称为相变热，发生相变的温度范围很窄。

物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变。大量相变热转移到环境中时，产生了一个宽的温度平台。该温度平台的出现，体现了恒温时间的延长，并可与显热和绝缘材料区分开来（绝缘材料只提供热温度变化梯度）。相变材料在热循环时，储存或释放显热。

特点1、固液相变蓄热具有如下优点

（1）容积储热密度大

相变材料在熔化或凝固过程中虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。以冰一水相变的过程为例，对相变材料在相变时所吸收的潜热以及普通加热条件下所吸收的热量作一比较：当冰熔解时，吸收335J/g的潜热，当水进一步加热，温度每升高1℃，它只吸收大约4J/g的能量。因此，由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍。

除冰水之外，已知的天然和合成的相变材料超过500种，且这些材料的相变温度和储热能力各不相同。把相变材料与普通建筑材料相结合，还可以形成一种新型的复吾储能建筑材料。这种建材兼备普通建材和相变材料两者的优点。

（2）温度波动幅度小

物质的相变过程是在一定的温度下进行的，变化范围极小，这个特性可使相变储器能够保持基本恒定的热力效率和供热能力。因此，当选取的相变材料的温度与热用户的要求基本一致时，可以不需要温度调节或控制系统。这样，不仅设计简化，而且能降低不少成本。

此外固液相变蓄能还具有合乎需要的相变温度；足够大的相变潜热；性能稳定，可反复使用；相变时的膨胀收缩性小；导热性好，相变速度快；相变可逆性好，原料廉价易得等优点。

2、固液相变蓄热具有如下缺点

固液相变蓄能存在过冷和相分离现象，从而导致储能不理想；易产生泄露问题，污染环境；腐蚀性较大，封装容器价格高等缺点。

固液相变蓄能材料1、无机相变材料

无机相变材料广泛应用于各种工业或公用设施中回收废热和储存太阳能，它的储能密度大、成本低、对容器腐蚀性小、制作简单，是目前固一液相变储能的主流，已取得显著成果。

(1)水合盐

无机材料中的无机水合盐有较大的熔解热和固定的熔点，是中低温相变材料中重要的一类，主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等。最典型的是结晶水合盐类，这类材料具有熔化热大、热导率高、相变时体积变化小等优点。但是，这类材料易出现“过冷”和“相分离”现象。为此，需加入防相分离剂，常选用增稠剂、晶体结构改变剂等。常用无机水合盐相变材料有硫酸钠、醋酸钠、氯化钙、磷酸氢二钠等。

（2）熔盐

碳酸盐、硝酸盐、氯化物、氟化物等尤机盐的熔点高，在小功率电站、太阳能发电和低温热机中，可以用做高温相变材料存储热能。但在使用时需要克服熔盐热导率低和腐蚀等问题。常用的熔盐主要有碳酸盐、硝酸盐、氯化钠、氟化锂等。

（3）其他无机相变材料

除了含水盐的相变材料外，水、金属以及其他一些物质也可以作为相变材料。

2、有机相变材料

根据熔点、熔解热、性能稳定性、价格来看，饱和的碳氢化合物(石蜡)、某些结晶聚合物(塑料)以及某些天然生成的有机酸都是比较实用的有机相变材料。常用的有机相变材料主要有石蜡、脂酸类、多元醇等。1

提高固液相变蓄能措施应用相变储能时，由于在固态时没有对流，热导率一般又都比较低，而体积又是在变化的，所以无论是充能时把热量传给储能介质还是在放能时从储能介质中把热量放出，都不像显热储存那么容易。因此要采取下面一些措施来提高其传热效率。

（1）相变材料与传热流体直接接触换热。

这种方法中的相变材料需与传热液体不相融，即相变材料虽与传热液体接触，但物理、化学性质不发生变化。

（2）把相变材料封装后放在传热流体中。

当相变材料与传热液体不能直接接触时可采用这种方式。把封装有固液态相变材料的小球放置于储热容器中，传热流体在容器中流动而进行换热，这种潜热储热器称为胶囊型。相变材料封装时要注意封装容器的材料与相变材料之间不能腐蚀和互相渗透。

有机相变材料的腐蚀性较小，而大多数水合盐都会加剧金属的氧化过程，但如果容器密封性能好，容器被水合盐腐蚀的程度就不明显。考虑到相变材料的相变过程往往有明显的体积变化，在选择容器材料和结构时，应注意容器应具备足够的强度和耐温性能。

（3）相变材料填充在换热器的壳程，换热管为翅片管或光管

采用管壳式储能换热器，高储热密度的相变材料填充在容器壳程中(或管中)，热交换流体空气在管内(管外)流动时与相变材料之间进行换热。因为在相变材料放热过程中，换热管外壁不断增厚的固态相变材料使其与传热流体间的换热热阻不断增大。为了提高传热效率，可采用翅片管等扩展换热表面，或在相变材料内掺人强化传热的材料，如金属片、网格等。1

应用固液相变蓄能已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。

相变储能技术可以解决能源供求在时间和空间上不匹配的矛盾。同时其可以储存不稳定的能源输入从而使其成为稳定的能源输出。基于以上特点相变储能技术大致有以下几方面的利用：

（1） 民用电热器等产品中。

（2） 工业余热利用设备中

（3） 电力调峰

（4） 新能源（主要是风能和太阳能）利用

（5） 建筑节能设备中

（6） 蓄冷空调在建筑中应用2

展望固液相变蓄能技术主要包括：相变储能材料的选择、制备、开发，储能和换热装置及其系统的设计、制造、安装和保温，相变储能技术的应用领域等。

储能和换热装置及其系统的设计，目前还不成熟，如何根据各种相变储能材料和应用领域设计相应的储能和换热设备，从而更大限度的发挥相变储能技术的优点是目前研究的方向。2