PDF《相变蓄热材料应用于太阳能采暖的研究现状》

第36卷 第 3期

2 0

1 7年 3月 中国材料进展 M A T E R I A L SC H I N A V o l

3 6 N o

3 M a r

2 0

1 7 收稿日期:2

0 1

6 -

0 3 -

0 5 基金项目:上海市教委科研创新项目(

1 4 Z Z

1 3

3 ) ;

上海市联盟计 划资助( L M

2 0

1 3

6 4 ) 第一作者:朱传辉,男,1

9 8 8年生,硕士研究生 通讯作者:李保国,男,1

9 6 1年生,教授,博士生导师, E m a i l :l b a o g u o @1

2 6 c o m D O I :1

0

7 5

0 2 / j i s s n

1 6

7 4 -

3 9

6 2

2 0

1 7

0 3

1 2 相变蓄热材料应用于太阳能采暖的研究现状 朱传辉,李保国 ( 上海理工大学能源与动力工程学院,上海

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0 0

9 3 ) 李保国 摘要:随着太阳能的不断开发,其相关材料的产品也在不断升级革新,其中应用于采暖的蓄热 材料成为目前业界关注的热点之一.

相变蓄能材料因具有蓄热密度高、高耐热性、高传导性、低膨 胀性、易控制等优点,在建筑节能、余热的回收以及太阳能供暖系统中被广泛应用.文章概述了相 变蓄热材料应用于太阳能采暖的研究进展,以及中低温相变蓄热材料的划分、应用领域,同时介绍 了一种适宜配合太阳能应用的相变蓄热材料,并介绍了有关复合相变蓄热材料和相变蓄热材料微胶 囊化的种类及发展趋势.并就相变蓄热材料的研究热点进行了分析.相变蓄热技术是解决太阳能不 稳定、间歇性问题的关键技术,是未来太阳能采暖技术推广应用的发展方向. 关键词:太阳能采暖供热;

相变蓄热材料;

蓄热技术 中图分类号:T K

5 1

2

4 文献标识码:A 文章编号:1

6 7

4 -

3 9

6 2 (

2 0

1 7 )

0 3 -

0 2

3 6 -

0 5 R e s e a r c hS t a t u s o f P h a s eC h a n g eT h e r ma l S t o r a g eMa t e r i a l A p p l i e df o rS o l a rH e a t i n g Z H UC h u a n h u i ,L I B a o g u o ( C o l l e g eo f E n e r g ya n dP o w e r E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t yo f S h a n g h a i f o r S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,S h a n g h a i

2 0

0 0

9 3 ,C h i n a ) A b s t r a c t :Wi t ht h ec o n t i n u i n gd e v e l o p m e n t o f s o l a r e n e r g y ,r e l a t e dp r o d u c t i o n so f s o l a r e n e r g ya n dm a t e r i a l si n n o v a t i o n a r ee s c a l a t i n g ,a n dm a t e r i a l s a p p l i e dt o t h e h e a t i n g s t o r a g e b e c o m e t h e f o c u s o f a t t e n t i o ni nt h e i n d u s t r y .D u e t o h i g hs t o r a g e d e n s i t y ,h i g hh e a t r e s i s t a n c e ,h i g hc o n d u c t i v i t yw h i c h ,l o we x p a n s i o n ,e a s yt oc o n t r o l ,e t c . ,p h a s ec h a n g ee n e r g ys t o r a g e m a t e r i a l s a r ew i d e l y u s e di nb u i l d i n g e n e r g y e f f i c i e n c y ,w a s t e h e a t r e c o v e r y a n ds o l a r h e a t i n g s y s t e m s .I nt h i s p a p e r ,t h e r e s e a r c hp r o g r e s s o np h a s e - c h a n g et h e r m a l s t o r a g e m a t e r i a l s u s e di ns o l a r e n e r g y h e a t i n g a n dt h e i r c l a s s i f i c a t i o n s a n dp e r f o r m a n c e s w e r es u m m a r i z e d .A t t h es a m et i m e ,as u i t a b l es o l a r e n e r g ya p p l i c a t i o nw i t hp h a s e - c h a n g et h e r m a l s t o r a g em a t e r i a l s w a s i n t r o d u c e d .T h e d e v e l o p i n g t r e n d s a b o u t p h a s e - c h a n g e c o m p o s i t e s m a t e r i a l s a n dp h a s e - c h a n g e m a t e r i a l s m i c r o e n c a p s u l a t e dw e r ep r e s e n t e d ,a n dr e s e a r c hf o c u so f t h ep h a s e - c h a n g et h e r m a l s t o r a g em a t e r i a l sq a sa n a l y z e d .T h ep h a s e - c h a n g e t h e r m a l s t o r a g et e c h n o l o g yi s t h e k e y t o s o l v e t h e s o l a r e n e r g y i n s t a b i l i t y a n di n t e r m i t t e n t p r o b l e m s ,a n di t i s t h e f u t u r e d i r e c t i o no f t h es o l a r e n e r g yh e a t i n gt e c h n o l o g yi np r o m o t i o na p p l i c a t i o n s . K e yw o r d s :s o l a r e n e r g y ;

p h a s e - c h a n g et h e r m a l s t o r a g em a t e r i a l s ;

t h e r m a l s t o r a g et e c h n o l o g y 前言全球能源利用日益加剧的今天,开发更节能的产品, 利用更普遍、更清洁、更可持续应用的太阳能,成为世 界各国关注的重点.太阳能具有不可估量的储量、分布 广泛、清洁无污染、经济性等优势,是最具潜力的一种 能源资源.目前开发利用太阳能的主要方式有光热发电、 光伏发电、光化学反应和光热直接利用等.其中,光转 化为热直接利用的技术,可应用于太阳能采暖方向,该 技术通过太阳能真空管收集太阳能.但是太阳能热利用 受到太阳光照的间歇性和季节性影响以及热利用效率低 等因素的制约[

1 ] .为了能够有效持续的进行采暖,需要 把多余的热量存储起来,在光照不足的时候再释放出来, 弥补能量的不足,显然蓄热技术可以很好的解决储热这 一关键性问题.相变蓄热材料具有较大的蓄热密度、相 对恒定的相变温度且容易控制等优点,因此其潜在应用 前景非常广阔,成为目前的研究热点[

2 ] .相变蓄热技术 的核心是相变蓄热材料 P C M( P h a s eC h a n g eM a t e r i a l ) ,相第3期朱传辉等:相变蓄热材料应用于太阳能采暖的研究现状 变蓄热材料的工作原理是依靠物质相变过程( 固/ 液态转 化) 中,必须吸收或放出大量的相变潜热,而进行能量的 存储和释放[

3 ] ,最常见的 P C M就是 冰/ 水 如图

1 . 图1固/液相变材料的相互转化 F i g

1 T h e i n t e r c o n v e r s i o no f s o l i d/ l i q u i dp h a s e c h a n g e m a t e r i a l 相变蓄热材料研究现状 由于相变蓄能材料因蓄热密度高、易控制等优点,而 在建筑节能、余热的回收以及太阳能供暖系统中被广泛应 用.相变蓄热技术的研究方向可以概述为两类:一类是对 材料本身的研究,包括其物理、化学性质、稳定性和使用 寿命等.其热物性参数包括相变潜热、比热容、相变温 度、膨胀系数、导热系数等.以及对相变传热机理的分析 和如何提高相变材料的传热性能等 的研究.另一类是研 究优化换热装置,包括数值模拟优化相变蓄热器、强化蓄 热器的换热效率以及对各种工况的模拟控制等[

4 ] .

2 0世纪

8 0年代,我国才开始有关于相变蓄热材料 的研究―无机水合盐类相变材料,但无机水合盐相变材 料大多具有腐蚀性,且相分离现象明显,严重制约了储 热容器的应用,因此新型复合相变蓄热材料进入了人们 的视野.近年来,关于石蜡/ 膨胀石墨复合相变蓄热材料 的研究 增多,张正国等人对其物化性质做了深入研究[

6 ~

8 ] .其研究结果表明,复合相变蓄热材料相比于单 一的相变蓄热材料,可提高

1 5 % ~

2 5 %的相变速率.高 分子材料学的飞速发展为研究高分子石蜡复合材料提供 了强有力的支持,研究高性能的高分子石蜡复合材料将 成为今后的研究热点[

9 ] .无机盐/ 陶瓷基复合相变蓄热材 料的研究也取得了较多成果.目前,国内外研究比较多的 材料有 N a

2 S O 4/ S i O

2 、N a

2 C O 3- B a C O 3/ M g O和NaNO3/ M g O 等[

1 0 ] ;

陶瓷蓄热体大部分被制成小球或蜂窝结构,其原 料主要包括堇青石、沸石、尖晶石、莫来石、锂辉石、 膨胀土、氧化铝、钛酸铝、碳化硅、硅藻土等,这些材 料根据其化学性质的不同,可以用来制备不同功能的蓄 热体.近年来蜂窝陶瓷蓄热体的研究热点是提高其在高 温时的稳定性[

1 1 ] .以原位聚合法制备石蜡为芯材,聚丙 烯酸为壁材的 M C P C M s 微胶囊相变蓄热材料,也是目前 研究的热点之一[

1 2 ] . 有关相变材料研究的先驱以 美国、德国为代表.

1 9

8 3 年,美国 T e l k e s 博士对 N a 2S O

4

1 0 H 2O的相变次数 进行了实验,并以此为基础,建立了第一座相变蓄热被 动式太阳房.德国 G a w r o nK等对-

6 5~ 0℃的相变材料 进行了大量的相变性研究.美国 T e r r y等成功合成了 N a

2 C O

3 - B a C O

3 - M g O 复合材料,其在高温下比较稳定, 可以应用在余热回收和建筑节能方面.德国 H a m e 等以 N a

2 C O

3 - S i O

2 为材料,制成能够应用在太阳能蓄热系统中 的高温传热砖[

1 3 ] .欧洲以及日本对化学蓄热体系的研究 较为深入,而国内研究则集中在相变储能领域[

1 4 ] . 太阳能蓄能芯 高性能相变蓄热材料 P C M

1 1

0 Z N具有高蓄能密度、 高耐热性、高传导性、低膨胀性、无腐蚀性、无毒无害 环保等优点,其最高耐热温度为

2 4 0℃左右,固/ 液体积 变化率小于

3 %,单位体积贮热量大于

5 0 8k g / L ,固态导 热系数为

0 9W/ ( m ・k ) ,并且反复使用无衰减[

1 5 ] .图2所示为以 P C M

1 1

0 Z N制成的蓄能芯体. 图2PCM110ZN制成的蓄能芯体 F i g

2 S t o r a g e c o r e p r o d u c t i o nb y p h a s e c h a n g e m a t e r i a l P C M

1 1

0 Z N 将PCM110ZN制成不同形状的蓄能芯体,置于太阳 能真空管内,可直接将太阳能集热器收集的太阳能储存 在该蓄热芯体内.该相变蓄热材料密度为

1 6

0 0k g / m

3 , 相变温 度89~9 3℃,潜热为260k J / L ,比热容为22k J / ( k g ・k ) ,总蓄热能力可达

3 3

8 5k J / k g .该体系 的相变蓄热技术已在内蒙古满洲里边防哨所、包头汉诺 威、新疆南山生产力基地以及天津商业大学办公大楼采 暖热水工程中得到应用.该技术还被推广应用到农副产 品的干燥、温室大棚的供热保温、谷电蓄热等领域[

1 6 ] . 复合相变蓄热材料 相变材料的导热系数一般较小,相变时存在液体流 动性问题[

1 7 ] ,因此需要对其进行密封处理并提高导热 性.目前,将高导热无机基质与相变材料复合,制备结 构稳定的复合相变材料成为研究热点. 膨胀石墨基复合相变材料 膨胀石墨( E x p a n d e dG r a p h i t e ,E G ) 基复合相变材料

7 3

2 中国材料进展 第36卷具有蓄热密度大、导热系数高以及相变过程无液体泄漏 等优点.膨胀石墨是多孔结构蠕虫状的物质,如图 3所示[

1 8 ] ,它既有天然石墨耐腐蚀、耐高温及导热性良好的 优点,同时又具有密度小、压缩性强、体积表面积比较 大、吸附性强等特性,被广泛应用在催化反应、军工生 产、环境治理等领域[

1 9 ] . 图3膨胀石墨扫描电镜图:( a ) 放大

1 0 0倍,( b ) 放大

3 0

0 0倍Fig3SEMp h o t o g r a p h s o f e x p a n d e dg r a p h i t e :( a )m a g n i f i e d

1 0 0t i m e s a n d( b )m a g n i f i e d3

0 0 0t i m e s 以膨胀石墨为吸附基质,吸附加热的熔融液态相变 材料,即可制备出膨胀石墨基复合相变材料.液态相变 材料在膨胀石墨微孔毛细管吸附力和表面张力共同作用 下,被吸附至微孔内,并锁定在微孔中[

2 0 ] ,因此解决了 相变材料在相变过程中的泄漏问题.膨胀石墨是碳材料 的一种,导热性能好,经强压处理后,可进一步提高新 形成的复合相变材料的导热性. Z h a n g 等以多孔膨胀石墨为吸附基,吸附熔融态........