相變材料（phase change material，簡稱PCM），是指在物質(zhì)發(fā)生相變時，可吸收或釋放大量能量（即相變焓）的一類材料。由于相變材料是利用潛熱儲能，儲熱密度大，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，并且在相變過程中本身溫度基本不變，易于管理，隨著全球節(jié)能意識的提高，相變材料的這一特性引起了研究人員的重視，相變儲熱技術(shù)在儲能領(lǐng)域越來越大放異彩。
相變材料的篩選原則
相變材料種類很多，依照不同分類方法可以被分為很多種。例如，按照相變方式不同分類，可以分為固—固相變材料、固—液相變材料和固—氣相變材料；按照材料種類分，可分為無機相變材料、有機相變材料和復(fù)合相變材料。生活中最常見的相變材料是水，早在數(shù)千年前，古人就懂得利用水的相變過程來進(jìn)行實物保鮮或制冷。
雖然相變材料有很多種，但并不是所有相變材料都可被利用。目前公認(rèn)的相變材料篩選原則如下：( 1）相變溫度在實際應(yīng)用操作范圍內(nèi)。 （2）潛熱儲存能力高。 （3）導(dǎo)熱率高。 （4）穩(wěn)定的化學(xué)和熱性能。 （5）無毒，無腐蝕性，對環(huán)境無害。 （6）成本低，易于獲得。 （7）相變過程中體積變化小。 （8）不發(fā)生過冷現(xiàn)象或過冷度很小。目前大多用的是固—液相變材料，由于相的改變，通常要對相變材料進(jìn)行封裝以防泄露。
相變材料在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，太陽能系統(tǒng)基本步入家家戶戶，但是也存在一些缺點，如：太陽能利用是間歇性的，夜晚不可用。將相變材料應(yīng)用到太陽能系統(tǒng)，可以保證在沒有太陽輻射的情況下也可以應(yīng)用太陽能。相變材料可以應(yīng)用在太陽能熱電廠、太陽能空氣加熱器、太陽能熱水器、太陽能海水淡化器、太陽能炊具等等領(lǐng)域。以下圖為例，該裝置主要包括三部分：a）太陽能系統(tǒng)單元，b）雙重管道熱能存儲器（TES），以及c）儲水箱。當(dāng)有太陽時，含有相變材料的TES處于充能階段，此時閥門1打開，閥門2關(guān)閉；無太陽輻射時，閥門1關(guān)閉而閥門2開啟。
利用TES技術(shù)制備的太陽能熱水系統(tǒng)實驗裝置圖
另外，長久使用的相變材料儲能罐，由于腐蝕作用，可能會造成太陽能熱電廠的故障。對此，建議使用不銹鋼材料的封存罐，以防止相變材料的腐蝕。
三、相變材料在空調(diào)儲冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
近年來，全國安裝的空調(diào)數(shù)量不斷增加，這意味著有很大一部分電能被應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，在夏季等用電高峰期，會對全球=過的電力系統(tǒng)造成很大的負(fù)荷。將PCM存儲系統(tǒng)放入空調(diào)的壓縮蒸汽循環(huán)中，可以存儲來自蒸發(fā)器的冷量；在非高峰用電階段，PCM可以存儲多余的冷量，然后在高峰用電期釋放，起到“移峰填谷”的效果。
相變蓄冷空調(diào)系統(tǒng)示意圖
常用的相變蓄冷裝置有球形膠囊蓄冷裝置和殼管式蓄冷裝置。球形膠囊蓄冷裝置是指將PCM封裝到聚乙烯球中并安置在冷水箱中，水直接與相變球交換熱量。殼管式冷藏裝置通常呈圓柱形或矩形，其由浸沒在靜止PCM中的水平或垂直平行彎曲管道組成，流體流經(jīng)管的四周。兩種裝置傳熱性能的影響因素各不相同，但是封裝相變材料的壁材的物理性能都及其重要。
相變材料在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
除了可以將相變材料放置在空調(diào)系統(tǒng)中以此來降低能耗之外，直接將相變材料與建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合也可以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少室內(nèi)溫度波動幅度的作用。目前研究大多將相變材料結(jié)合在石膏墻板、混凝土中，或是與做成薄膜與窗戶相結(jié)合；在北方地區(qū)，地板下有地暖系統(tǒng)，與相變材料相結(jié)合可以進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的效果。
應(yīng)用在建筑中的相變材料的封裝方法有以下幾種：直接浸漬法、微膠囊法和多孔材料吸附法等等。其中，直接浸漬法是直接將建筑材料浸潤著相變材料中，這種方法會造成較為嚴(yán)重的泄露，現(xiàn)在大多不被采用。使用微膠囊法或多孔材料吸附法制備的相變材料粉末，可以作為混凝土的細(xì)骨料加入，對其力學(xué)性能雖有一定損傷，但是不會發(fā)生嚴(yán)重泄露。
相變材料的改性
為了進(jìn)一步提高相變材料的儲放熱效率，通常要對其進(jìn)行改性，以提高相變材料的導(dǎo)熱性能。相變材料的傳熱十分復(fù)雜，因為相變過程中會發(fā)生固液轉(zhuǎn)變，往往認(rèn)為相變材料的傳熱是由對流和熱傳導(dǎo)共同控制的。提高相變材料的導(dǎo)熱性能通常從兩個方面入手：一是對儲能裝置的改進(jìn)，如采用翅片來增加其和流體之間的傳熱面積、或采用多層相變材料組合式方式；二是對相變材料自身導(dǎo)熱的改進(jìn)，添加一些導(dǎo)熱率高的材料進(jìn)行復(fù)合，如膨脹石墨、石墨烯等。
在相變材料中加入納米結(jié)構(gòu)的材料也可以達(dá)到這一效果，如碳納米管、納米金屬粉末、納米線等等?？傊?，在目前節(jié)能減排的大環(huán)境下，相變材料的應(yīng)用前景十分值得進(jìn)一步的研究，以真正發(fā)揮相變材料在實際生活中的作用。
化學(xué)慧定制合成事業(yè)部摘錄
