无机相变材料的潜力与挑战

无机相变材料的潜力与挑战

潜热储能系统（LHSs）作为一种高效的储能技术，在低耗能期间储存过剩热能方面展现出巨大潜力。其核心原理是利用相变材料（PCMs）在相变过程中吸收或释放大量潜热，从而实现能量的存储和释放。与显热储能相比，潜热储能具有储能密度高、温度恒定、储能容量大等显著优势，是实现能源供需平衡、提高能源利用效率的重要途径。

相变材料的选则标准

然而，潜热储能系统的性能在很大程度上取决于所选用的相变材料。PCMs 的选择需要综合考虑热物理性质、物理性质、化学性质以及经济性等多个因素：

热物理性质：

• 合适的相变温度，以确保材料能够在目标温度范围内有效工作。
• 高潜热和相变焓，以实现更高的储能密度。
• 高热导率和比热容，以提高充放热速率和储能容量。

物理性质：

• 良好的相平衡性，以避免相分离问题。
• 高密度和体积变化小，以简化储能单元设计。
• 低蒸气压，以减少材料损失和环境污染风险。
• 共熔熔化特性，以防止材料在循环过程中发生不可逆的相分离。

化学性质：

• 化学稳定性，以确保材料在长期使用过程中不发生降解。
• 与容器材料的相容性，以避免腐蚀和材料失效。
• 无毒、无易燃性，以确保使用安全。

经济性：

• 原材料易得，成本低廉，以提高储能系统的经济可行性。

无机相变材料的优势与挑战

无机相变材料 (Inorganic PCMs) 因其优异的热物理性能，在潜热储能领域备受关注。与有机相变材料相比，无机 PCMs 具有以下优势：

• 高热导率：无机 PCMs 的热导率普遍高于有机 PCMs，这有利于提高储能系统的充放热速率。
• 高储能容量：无机 PCMs 的储能密度通常高于有机 PCMs，这意味着在相同体积下可以储存更多的能量。
• 工作温度范围广：无机 PCMs 的工作温度范围更宽，适用于中高温应用，而有机 PCMs 在高温下易分解或挥发。

然而，无机 PCMs 也存在一些缺点：

• 腐蚀性问题：盐类和盐水合物等无机 PCMs 对金属容器具有腐蚀性，会影响储能系统的使用寿命和稳定性。
• 相分离问题：盐类和盐水合物在相变过程中容易发生相分离，导致储能容量下降。
• 过冷现象：盐类和盐水合物容易出现过冷现象，影响储能系统的性能。
• 体积变化：盐类和盐水合物在相变过程中体积变化较大，需要优化材料组成和结构设计。

克服无机 PCMs 缺点的技术手段

为了克服无机 PCMs 的上述缺点，研究人员开发了多种技术手段：

• 添加成核剂：通过添加成核剂可以有效抑制过冷现象，提高材料的热循环稳定性。
• 微胶囊化技术：微胶囊化可以有效防止材料泄漏和相分离，并提高材料的循环稳定性和传热性能。
• 多孔材料支撑：将无机 PCMs 分散到多孔材料（如金属泡沫、膨胀石墨）中，可以提高材料的导热性，并解决液体泄漏问题。
• 热管技术：热管具有高导热性，可以有效提高无机 PCMs 的传热性能。

无机相变材料的应用领域

无机 PCMs 在以下领域展现出广阔的应用前景：

• 建筑节能：应用于墙体、地板等建筑材料，实现温度调节，降低能耗。例如，利用无机相变材料的高热导率和储能密度，可以在白天吸收太阳能并在夜间释放热量，从而减少空调的使用。
• 工业余热回收：用于回收工业生产过程中产生的余热，提高能源利用效率。例如，在钢铁厂中，可以利用无机相变材料回收高温废气中的余热，用于加热水或其他工艺过程。
• 太阳能热利用：与太阳能集热器结合，提高太阳能利用效率。例如，将无机相变材料集成到太阳能热水器中，可以在白天吸收太阳能并在夜间释放热量，提供持续的热水供应。
• 航空航天：用于航天器热控系统，保障设备正常运行。例如，在卫星上使用无机相变材料作为热控材料，可以在太阳照射时吸收热量并在阴影区释放热量，保持设备的温度稳定。