能源材料的研究现状及发展前景_秦培煜

2002年第5期 节 能 (总第238期) ENERGYCONSERVATION 5

能源材料的研究现状及发展前景

(华中科技大学,武汉430074)秦培煜周世权

摘要:能源材料是近10年来发展起来的一类新型材料。它包括储能材料,节能材料,能量转换材料和核能材料等。主要应用于高效节能电加热器及装置,太阳能储热加热器,工业余热利用储热加热器,太阳能储能空调器,燃料电池,贮氢材料及氢能利用及核反应堆电站等方面。关键词:能源材料;储能材料;相变储热;相变材料;太阳能空调器

中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2002)05-0005-03

1引言

自从20世纪80年代出现能源危机及大量的能源消耗导致的环境污染和温室效应,人们一直在研究高效能源,节能技术,可再生环保型能源,太阳能利用技术等。由此产生了有广阔应用前景的太阳能储热热水器及加热器,太阳能空调器、燃料电池、贮氢及氢能利用、核能电站等。在这些技术中能源材料具有突出和重要的作用。2相变储热材料

本世纪30年代以来,特别是受80年代能源危机的影响,相变储热(LTES)的基础理论和应用技术研究在发达国家(如美国、加拿大、日本、德国等)迅速崛起并得到不断发展。材料科学,太阳能,航天技术,工程热物理,建筑物空调采暖通风及工业废热利用等领域的相互渗透与迅猛发展为LTES研究和应用创造了条件。LTES具有储热密度高,储热放热近似等温,过程易控制的特点。潜热储热是有效利用新能源和节能的重要途径。提高储热系统的相变速率,热效率,储热密度和长期稳定型是目前面临的重要课题。研究潜热储热的核心是研究材料的相变传

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热过程。2.1相变材料的种类

相变材料(PCM)主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。无机PCM包括结晶水合盐,熔融盐,金属合金和其他无机物;有机类PCM包括石蜡,酸酯和其他有机物;复合PCM主要是有机和无机共融PCM的混合物。

结晶水合盐提供了从几 至100多 熔点的近70种可供选择的PCM。该类PCM通常是中低温PCM的最重要的一类,优点是价格便宜,体积储热密度大,溶解热大,导热系数比有机PCM大,一般呈,大的方法是加微粒结构与盐类结晶物相类似的成核剂和搅拌,解决析出的方法是添加增稠剂,晶体结构改变剂和搅拌。

石蜡由直烷烃混合组成。常用石蜡PCM的熔点为-12~75.9 ,熔解热为150kJ kg到250kJ kg。优点是熔解热大,一般不过冷、不析出、性能稳定,无腐蚀性且在有机PCM中价格最低,缺点是导热系数小和密度小。酸酯类也是常用的有机PCM,其性能特点与石蜡相似。

目前所用相变储热材料主要有固 液(S L)相变储热材料,固 固(S S)相变储热材料。固 固相变储热材料主要是通过晶体有序 无序结构转变进行可逆地吸、放热。它主要有有机和无机两大类。由于它具有不生成液态,体积变化小,无腐蚀,热效率高和寿命长等优点而受到重视,主要包括交联高密度乙烯,层状钙钛矿和多元醇,通过晶格变化放热吸热。多元醇之间混合可形成 合金 ,得到相变温度较宽的混合S SPCM。但是,多元醇在S S相变温度以上的转变为塑性晶体,易软化和挥发损失,使用时要用压力容器密封。而无机固 固相变储热材料相变温度较高,且性能稳定,如层状钙钛矿类材料。如能将金属固 固相变温度降低到20 左右,并使相变热达到100kJ kg,将会使其在空调节能中得到广泛的应用。固 液相变储热材料主要是通过固 液相变进行可逆的吸、放热。它主要有熔盐结晶水合盐,石蜡,共晶Al Si合金。其中共晶Al Si合金为高温相变储热材料,相变温度可达到500 以上,可用于高温储热。水合盐和石蜡可用于常温储热,但是水合盐易产生过冷和析晶。为改善此类材料的不定形性,其发展方向是通过包覆复合的方式来获得复合相变储热材料

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的。

节 能 2002年第5期 6 ENERGYCONSERVATION (总第238期)

变材料。该系列材料由石油精炼副产品组成,现已投放美、日商品市场。

国内主要探讨了三种相变材料纯物质:正十六烷、正十八烷、硬酯酸正丁酯,分别于三种建材基体

[石膏板(不含纤维)、石膏纤维板及粘土砖]制成储能建材。相变材料为正烷烃的几种储能建材其潜热远大于相变材料为硬酯酸正丁酯的建材,化学性质稳定,其中正十八烷更以其熔点接近空调舒适温度而在相当长的时间内被研究者所瞩目。但其价格高,且渗有正十八烷的储能建材在长时间处于相变温度以下其自由表面有严重的结霜倾向。所以,近年来研究的重点转向其替代物的寻求。硬酯酸正丁酯的缺点是潜热较小,但价格低,因此有一定的使用价值。

2.4纳米复合材料的合成及性质

纳米技术是纳米尺寸上的工程学,它对原子或分子进行加工,把它们组合成具有某些特定功能的结构,即纳米材料。纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料,它由纳米级的粒子组成,介于宏观物质和微观原子和分子之间。 纳米复合材料 一词是80年代初由ROY和Komarneni提出来的。它与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同,是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级大小(1~100nm)复合而成的复合材料。固相可以是非晶质、半晶质、晶质或兼而有之,也可以是无机、有机或两者。纳米复合材料广泛存在于整个生物体中,真正人工合成的纳米复合材料较少。石墨层间化合物、层柱粘土矿物、粘土矿物 有机复合材料和沸石复合材料等纳米材料都是纳米复合材料。

纳米复合材料的尺寸介于分子与体相尺寸之间,属于介观系统。它表现出来的性质也不同于体相,具有显著的量子尺寸效应。首先,其光、电、磁等物理性质具有许多新特性和新规律;其次,纳米复合材料具有大的比表面积,且表面能很高,因而具有比本体材料更为显著的吸附性能,在环保领域可望有重要的应用。90年代以来,在世界范围内广泛开展了纳米复合材料的研究,为材料科学的进步做出了贡献。

材料的制备是性能研究的基础,因此纳米复合材料制备方法一直是该研究领域的一个重要课题。

Sol-Gel法是新兴的制备材料的湿式化学方[8]

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的一类PCM,其相变温度为-140.0~670 ,可供选择的PCM达4300种。2.2相变材料储热的机理及特点

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。

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。把相变材料与普通建筑材料相结合,便形成了一种新型的复合储能建筑材料。这种建材兼备普通建材和相变材料两者的优点。

目前,采用的相变材料的潜热达到170J g左右,而普通建材在温度变化1 时储存同等热量将需要190倍相变材料的质量。因此,复合相变建材具有普通建材无法比拟的热容,对于房间内的气温稳定及空调系统工况的平稳是非常有利的。

相变材料应具有以下几个特点 …… 此处隐藏：4571字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……