相變材料的研究及應用

侯耀峰 陳軒偉 張祎倩（廈門大學嘉庚學院，福建龍海 363112）

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相變材料的研究及應用

侯耀峰 陳軒偉 張祎倩
（廈門大學嘉庚學院，福建龍海 363112）

【摘要】從上個世紀70年代能源危機引發的全球危機以來，環境污染的現象日益嚴重，世界發達國家開始研究能源開發技術來提高能源利用率，而相變材料在能源利用率方面得到了很多應用，是能源利用及保護環境的一個重要研究方向。相變材料的研究及應用可以幫助緩解現今能源供給與需求之間的矛盾，在能源、建筑、紡織服裝、溫室種植等方面都有著很大的應用前景［1］，是現代重點研究的一個領域。本文介紹了相變材料的研究背景，然后列出了以聚乙二醇，水，膨脹石墨的混合液體為樣進行的實驗過程，得出結論確定了這種混合液體的儲能性能。

【關鍵詞】能源 太陽能 相變材料

1 研究背景

隨著社會的不斷發展、現代化建設的不斷推進，人類生活對能源的需求更加廣泛，從某些方面而言，現代人類生活的方方面面已經離不開能源的存在。因此，能源開發、能源技術的發展已經成為了一個全世界、全人類一同關心的重要問題。自然界中的能源在人類的不斷開發下已經不再充裕，而天然能源的不可再生性使得人類必須尋求新的能源，發展新的能源開發技術來替代非再生能源。科學發展觀思想，是中國政府加快發展現代能源產業的指導思想，中國堅持節約資源和環境保護的基本國策，貫徹落實可持續發展戰略，建設創新型社會，為維護世界能源安全發揮了重要的作用。

在工業生產過程中，通常會有大量的反應熱量未能得到利用就浪費，而在需要供應熱量的反應中又有大量的余熱被損失，這些都是在化學反應中我們希望避免的現象，因此，我們需要找尋一種材料，這種材料能隨著溫度的變化而改變物質狀態并提供潛熱，即當反應時，材料能將這些沒有利用的熱量或冷量儲存起來，當反應需要時再將其釋放出來，這種材料，我們稱其熱儲能材料。幾十年來，人們對熱能儲存材料的廣泛研究已經使這種材料得到大量應用，并逐漸成為了一種重要的新型材料。

當今困擾人類的環境問題中，全球變暖問題越來越突出，節能減排已經成為了社會建設的一大重點審查方面，因此我們必須加速新能源的開發及應用。目前，冬天在北方地區采取的是集中供暖的政策，這是出于北方的寒冷氣候、能源狀況及居民生活習慣等因素而實施的，而南方地區卻沒有實施這一政策，主要是因為南方冬季有充足陽光，氣候較北方溫暖，經全方位審核尚不需要集中供暖，而且一旦南方也采取集中供暖的政策，國家每年的能耗將大大增加，二氧化碳、二氧化硫及煙塵排放量也將急劇上升，環境污染將進一步加劇。因此對于南方居民來說，更現實的選擇是采取其他的供暖方式，而在現今的眾多取暖方式中，太陽能地暖供熱系統成為了首選，太陽能是一種可再生能源，采用這種方式的取暖，既節省了資源又保護了環境［2］。在相變材料研究中，我們初步確定乙二醇，水，膨脹石墨的混合液體具有這種優于水的性能，通過一系列實驗，我們將驗證這一事實，從而能將這種混合液體用于太陽能地暖供熱系統中。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

相變材料聚乙二醇（PEG），水，相變材料膨脹石墨（EG）。

2.2 實驗步驟

（1）相變材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（體積200ml），其中聚乙二醇分子式為：HO（CH2CH2O）nH，分子質量為6000。熔點為57°C。羥值為15—20之間。粘度為12—16之間。放于燒杯之中。將燒杯放于60°C的水浴內加熱。室溫20.3°C（見表1）。

（2）相變材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（體積200ml），其中聚乙二醇分子式為：HO（CH2CH2O）nH，分子質量為6000。熔點為57°C。羥值為15—20之間。粘度為12—16之間。加熱至60°C后的散熱時間：（見表2）

（3）相變材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（體積200ml），其中聚乙二醇分子式為：HO（CH2CH2O）nH，分子質量為6000。熔點為57°C。羥值為15—20之間。粘度為12—16之間。放于燒杯之中。將燒杯放于60°C的水浴內加熱。室溫20.3°C（見表3）。

（4）相變材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（體積200ml），其中聚乙二醇分子式為：HO（CH2CH2O）nH，分子質量為6000.熔點為57°C。羥值為15—20之間。粘度為12—16之間。加熱至60°C后的散熱時間：（見表4）

（5）相變材料膨脹石墨（EG）含量10%的水溶液（體積200ml），其中膨脹石墨的型號為KD9950200放于燒杯之中。將燒杯放于60°C的水浴內加熱。室溫20.3°C（見表5）。

（6）相變材料膨脹石墨（EG）含量10%的水溶液（體積200ml），其中膨脹石墨的型號為KD9950200放于燒杯之中。燒杯加熱至°C后進行散熱（見表6）。

（7）相變材料膨脹石墨（EG）含量20%的水溶液（體積200ml），其中膨脹石墨的型號為KD9950200放于燒杯之中。將燒杯放于60°C的水浴內加熱。室溫20.3°C（見表7）。

（8）相變材料膨脹石墨（EG）含量10%的水溶液（體積200ml），其中膨脹石墨的型號為KD9950200放于燒杯之中。燒杯加熱至60°C后進行散熱。室溫20.3°C（見表8）。

（9）水溶液200ml，放于燒杯之中。將燒杯放于60°C的水浴內加熱。室溫20.3°C（見表9）。

（10）水溶液200ml，放于燒杯之中。燒杯加熱至60°C后進行散熱。室溫20.3°C（見表10）。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

3 實驗結論

經過以上實驗可以得出結論：相變材料聚乙二醇相較于水而言，吸熱過程較慢，同樣散熱過程也較慢，且相變材料聚乙二醇的熔點為57°C。當溫度達到57°C時發生相變。相變材料膨脹石墨相比水來說，吸熱過程較快，散熱也較快。而當這三種溶液混合后，能較好的達到吸熱過程比較快，同時散熱過程較慢的的效果。經過多次反復的實驗，發現聚乙二醇13%膨脹石墨9%為三種溶液的最佳配比。

太陽能是一種可再生能源，且綠色無污染，是一種較為重要的能源，被認為擁有較好的應用與發展前景。但太陽能不具備穩定性：在夜間無輻射，且在不同的天氣、時間、季候都將有不同的輻射量，因此，專家一直致力于太陽能的儲存及釋放。而相變儲能材料卻能在太陽能的研究中得到利用。本論文所驗證的相變材料聚乙二醇，水，膨脹石墨的混合液體就可很好的應用在太陽能地暖供熱系統中。除此之外，這一相變材料還擁有廣闊的應用前景，值得更多研究。

參考文獻：

［1］張靜，丁益民，陳念貽.相變儲能材料的研究及應用［J］.鹽湖研究，2005，03：52-57+21.

［2］周建偉，劉星.相變儲能材料的研究及應用新進展［J］.河南化工，2007，10：7-10.