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鄒小姐：13326633089 -
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全球經濟的快速發展導致對能源的需求快速增長，如今能量儲存已成為可再生能源技術體系的重要組成部分。其中，熱能儲存系統（Thermal energy storage system，TESS）是一種通過加熱或冷卻存儲介質來儲存熱能，以便在以后的時間里可以使用儲存的能量來為加熱和冷卻提供能源。熱能儲存技術在建筑物和工業過程中使用，可以提高整體效率和可靠性，并能得到更好的經濟效益，減少投資和運行成本，減少環境污染，減少碳的排放。
光熱電站儲熱系統
儲熱系統一般是將熱量存儲在儲熱介質中，高能量密度和高放熱吸熱效率是所有儲熱系統的理想特性。從目前世界研究的方向來看，熱量存儲一般可以分為顯熱儲存、潛熱儲存和化學儲存這三種方式。
其中顯熱儲存材料在能量釋放過程中溫度不能保持穩定，而且在熱交換中熱損失較高，不能長期保存熱量，且蓄熱能力較低，不能滿足如今的工業要求；化學儲熱是利用儲熱材料可逆吸熱/放熱反應過程來儲存和釋放熱量，盡管這種方法儲熱能力比較好，熱損失比較小，但是要面臨儲熱材料對設備的腐蝕、傳熱和傳質能力差和材料開發難等問題，限制了實際應用；潛熱儲存技術是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量，從而進行熱量交換，彌補了顯熱儲存不能長期保存熱量的缺點，而且儲能密度較大，沒有化學反應的發生，不會對生態環境造成危害。
相變材料熱量交換特性
因此在儲熱領域最有前景的便是潛熱儲存，不僅可以解決熱能在時間和空間上不匹配的問題，而且還可以應用于紡織、建筑和航天等領域。
相變材料的種類
一、按相變化分類
按蓄熱過程中相的變化可分為固-固、固-液、固-氣和液-氣相變材料。由于固-氣和液-氣相變材料在相變過程中體積變化很大，對儲熱設備要求高，通常不易在實際中應用。
（1）固-固相變材料
固-固相變材料主要包括多元醇類（季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基乙烷等）、無機鹽類（Li2SO4、KHF2 等）和有機高分子類（高密度聚乙烯等）。
固-固相變材料是通過物質晶體結構的轉換來吸收和釋放熱量，在轉換過程中不存在相態的變化，所以體積變化小，沒有過冷和泄露等問題，但是不適合與其他材料進行復合，否則會影響晶體結構的轉換，降低材料的儲熱能力，不適合大規模的應用。
（2）固-液相變材料
固-液相變材料憑借材料來源廣泛、價格低廉、較高相變潛熱等優點逐漸成為研究的熱點，主要包括高級脂肪烴類（正十六烷、正十八烷、石蠟等）、脂肪酸及其酯類（硬脂酸、棕櫚酸等）、結晶水合鹽類（Na2SO4·10H2O、Mn(NO3)2·6H2O 等）、熔融鹽類（LiF、NaF、CaF2等）、金屬及合金類（鉛-錫合金等）和高分子類（聚乙二醇等）。
儲熱相變材料
二、按材料成分分類
按相變材料的成分可以分為有機、無機、共晶相變材料。
（1）有機相變材料
有機相變材料可以在不發生相分離的情況下多次熔化和凝固，且在結晶的時候有很小或者沒有過冷度，通常不具有腐蝕性，一般分為石蠟類（烷烴類及其混合物）和非石蠟類（脂肪酸、醇類、脂類等及其衍生物）。
在實際應用中，考慮到成本問題，大多采用工業石蠟，有機相變材料物理化學性質穩定，具有過冷度小、相變潛熱較大、熱穩定性好等優點，但是導熱系數較小，傳熱能力較差。
（2）無機相變材料
無機相變材料主要被應用于低溫和高溫環境中，包括結晶水合鹽類、熔融鹽類（硝酸鹽、碳酸鹽、鹵化物等）、金屬類。其中因水合鹽相變過程容易因各組分密度不一致發生相分離，限制了其應用；熔融鹽一般用于工業余熱的回收和航天領域；金屬類金屬類一般由低熔點金屬及其合金組成，它們具有很高的相變焓值、良好的熱穩定性及其高導熱能力，可以被用于發電廠回收余熱或存儲熱量。
（3）共晶相變材料
共晶相變材料一般是具有相似或一致熔點和凝固點的材料組合，包括無機-無機、有機-有機或者無機-有機相變材料的二元或多元共晶體系，通過混合多種相變材料克服單一相變材料的缺點，使其更好的應用于實際情況。
相變材料的增強導熱方法
除了相變材料的儲能密度、相變溫度，相變材料的導熱性能也是評價相變材
料重要性能之一。對于大多數相變材料（尤其是有機相變儲能材料）而言，其導熱系數往往都很低，影響實際使用效果，因此需要增強相變材料的導熱率。
一、添加納米材料增強導熱
增強相變材料導熱率的一種方法是在儲熱系統中使用納米材料或者高導熱材料，例如納米顆粒（銅、氧化銅、鋁、二氧化硅等）、納米片、納米線、納米管、和納米纖維等。
以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成新的強化傳熱介質。納米流體導熱系數增大的原因，一是固體顆粒的加入改變了基礎液體的結構，增強了混合物內部的能量傳遞過程，使得導熱系數增大；二是納米粒子的小尺寸效應，使得粒子與液體間有微對流現象存在，這種微對流增強了粒子與液體間的能量傳遞過程，增大了納米流體的導熱系數。
二、導熱材料復合
將高導熱材料與相變材料進行復合是提高相變材料導熱的另一種方法，最常見的是利用石墨、石墨烯、碳纖維等與相變材料進行復合。
（1）碳纖維
碳纖維具有導熱系數高（約為10~140W/mK）、比重小、高張力、高彈性和熱膨脹系數等優點，能與絕大多數相變材料相容，耐腐蝕能力較強，且纖維直徑很小，有利于在材料中均勻布置，作為強化傳熱物質一直備受研究者關注。
碳纖維復合相變材料
（2）膨脹石墨
膨脹石墨是以鱗片石墨為原料采用特殊工藝，使鱗片石墨沿層間方向膨化而成的產物。它既保留了天然鱗片石墨的導熱性好、無毒害等優良性質，又具有天然鱗片石墨所沒有的吸附性、生態環境協調性以及生物相容性等特征。
在以石蠟為相變材料時多輔以膨脹石墨來提高其熱導率。
石蠟復合膨脹石墨
相變材料的應用
一、相變材料在航天領域的應用
航天器在發射到太空中在與大氣層摩擦時會產生大量的熱，這些熱量經接觸
面傳遞到航天器內部，使儀器設備過熱從而影響航天器的穩定性。所以需要對航天器進行熱控制，減少高溫外殼傳遞給航天器內部的熱量，或者增加儀器設備的熱容量從而控制儀器設備的溫度。
相變材料具有較大的儲熱能力，可以包裹在儀器設備的表面吸收外部環境熱源，減少內部溫度上升幅度，保持在一定的溫度范圍。
二、相變材料在建筑領域的應用
隨著人們對環保能源的需求不斷增加，開發節能和高效熱管理的建筑材料已經成為研究的熱點，在建筑產品中加入潛熱儲存材料可以極大地提高蓄熱能力。
相變材料具有較高的存儲密度和較小的溫度變化，在建筑物的墻壁、天花板和地板的熱量儲存可以通過在這些內部封裝或者嵌入合適的相變材料來增強，它們可以直接捕獲太陽能或者通過自然對流來獲取熱能，降低建筑內部空氣溫度波動幅度，使得室內溫度在較長的時間內保持在人體所需的溫度范圍內，從而增加人體的舒適度。
三、相變材料在太陽能領域的應用
儲能已成為可再生能源技術系統的重要組成部分，太陽能熱利用系統相較于于光伏系統，具有較高的利用效率，可以在白天利用太陽能，然而它沒有足夠的儲熱備份來在太陽輻射小或者沒有太陽輻射時保持運行。相變材料的利用可以使太陽能熱利用系統達到24h高效利用。
四、相變材料在電池熱管理領域的應用
隨著鋰離子電池市場在個人電子、電動交通和固定儲能方面的不斷增長，鋰
離子電池的安全問題面臨著持續挑戰。電池熱失控會造成嚴重風險，所以每個設計階段都需要保護措施。對電池進行熱管理是一種解決電池熱失控的有效方法。
利用相變材料的高儲熱密度吸收電池在使用過程中釋放出的熱量，有效的防止電池發生熱失控。
五、相變材料作為熱界面材料的應用
熱界面材料(TIM)是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要作用是填補兩種材料接合或接觸時表面產生的微空隙及凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗,提高散熱性。
相變熱界面材料融合了導熱墊片和導熱膏的雙重優點，在達到相變溫度之前，具有和導熱墊片類似的優點，具有良好的彈性和塑性，但當電子器件工作溫度升高到熔點以上時，就會發生相變成為液態，從而有效地潤濕熱界面，具有和導熱膏一樣的填充能力，能夠最大程度地填充界面空隙，可以使兩材料界面之間的熱阻大幅度下降。
此外，相變熱界面材料還具有能量緩沖的效果，通過相變過程的熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散的路徑，有利于余熱的傳播和擴散，防止溫度急劇上升，使器件的工作溫度得到緩解，從而延長使用壽命。
總結
相變材料的開發已逐步進入實用階段，主要用于控制關鍵器件溫度、利用太陽能、儲存工業反應中的余熱和廢熱。低溫儲能主要用于廢熱回收、太陽能儲存及供暖和空調系統，高溫儲能用于熱機、太陽能電站、磁流體發電及人造衛星等方面，在工程保溫材料、醫療保健產品、航空航天器材、軍事偵察、日常生活用品等方面具有廣闊的應用前景。
今后相變儲能材料的發展主要體現在以下幾個方面：
（1）進一步篩選符合環保的低價的有機相變儲能材料；
（2）開發復合相變儲熱材料是克服單一無機或有機相變材料不足、提高其應用性能的有效途徑；
（3）針對相變材料的應用場合，開發出多種復合手段和復合技術，研制出多品種的系列復合相變材料是復合相變材料的發展方向之一；
（4）開發多元相變組合材料。在同一蓄熱系統中采用相變溫度不同的相變材料合理組合，可以顯著提高系統效率，維持相變過程中相變速率的均勻性。這對于蓄熱和放熱有嚴格要求的蓄能系統具有重要意義；
（5）進一步關注高溫儲熱和空調儲冷。太陽能熱動力發電技術是一項新技術，是最有前途的能源解決方案之一，必將極大地推動高溫相變儲熱技術的發展。另外，低溫儲熱技術是當前空調行業研究開發的熱點，并將成為重要的節能手段。
（6）利用納米材料的特點制備新型高性能納米復合相變儲熱材料是制備高性能復合相變材料的新途徑。
參考來源：
1. 相變復合材料的制備及其導熱性能研究，朱洪宇（蘭州理工大學）；
2. 改善相變材料導熱性能研究綜述，李夔寧、郭寧寧、王賀（重慶大學動力工程學院）；
3. 相變儲能材料的應用及研究現狀，尚燕、張雄（同濟大學材料科學與工程學院）。
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