相變蓄熱材料應用于太陽能采暖的研究現狀

蘇丹 胡瑞平

摘 要：隨著現代工業的迅速發展，人類對于能源的需求日益增加，原有石油、煤炭等一次能源越來越無法滿足人們日常的能源需求，并且從可持續發展以及對環境的影響來看，繼續使用其作為未來的主要能源也是不現實的。因此對于太陽能的開發利用已經迫在眉睫，并且隨著現代對于太陽能技術的不斷開發、探索，相關產業鏈的一系列產品性能也越來越得到人們的廣泛認同與使用，并且對于環境的影響方面也是一次能源無法比擬的。而其中的應用于采暖的蓄熱材料越來越成為行業屆關注的焦點。由于相變蓄熱在太陽能采暖的應用過程中具有的高蓄熱密度、高導熱性等優良性能，使其在現代工業太陽能采暖、供暖系統中得到了廣泛的使用，并得到市場的一致肯定。接來下作者將在本文著重敘述相變蓄熱材料在太陽能采暖應用的當前景況，以及蓄熱材料對于太陽能采暖目前的研究成果，及其未來相變蓄熱材料的發展趨勢與研究方向。

關鍵詞：太陽能;采暖;相變蓄熱材料;蓄熱技術

1 應用研發背景

在全球工業飛速發展的今天，全球能源緊缺與可持續性越來越成為全世界重視的問題，在這個背景下，如何利用太陽能以及開發相對應的更加節能減材的產品，日益成為人們關注的焦點。從目前人類的認知來看，太陽能具有足夠的能源儲藏，并且相對來說不受地域壞境的影響，在對于環境的無污染清潔方面具有其他一次能源無可比擬的優勢，是目前來看最有潛力的一種能源資源。由于受到人類的科學發展的限制，人類可利用太陽能的方式有光熱發電、光伏發電、光化學反應發電以及光熱轉化等。在這之中由于光熱直接利用的高效性、方便性，因此在應用于太陽能采暖方向得到了人們大力發展與研究。盡管具有以上優點，這項技術也不可避免的存在一定的缺陷：太陽光照受到季節、緯度的影響，并且其熱能轉換效率一直倍受人們所詬病。因此在這個背景下，如何能夠可持續的利用太陽能進行采暖，并將多余的熱量儲存起來，在需要的時候釋放成為人們關注的焦點，也正是這個原因，相變蓄熱材料應用而生。由于相變蓄熱材料具有高蓄熱密度、高耐熱性等一系列優良性能，使其存在非常廣闊的應用場景，并且成為各大院校、研究所的重點研究方向。相變蓄熱材料的工作原理是根據物質不同相變之間的過程轉化（相變轉化需要吸收或釋放大量的熱量），從而實現能量儲存與釋放。

2 相變蓄熱材料的發展過程與研究現狀

由于相變蓄熱材料高蓄熱密度等優良性能以及熱量的儲存、回收，在太陽能采暖系統中得到廣泛應用。相變蓄熱技術由此而演變為以下兩種主要的研究方向、種類。

第一、是對材料本身性能的研究，由于材料性能決定了相應的應用場景，因此來說，對于材料本身性能研究是各項研究的重中之重。這種研究主要包括對其物理性質、化學性質、熱穩定性、使用周期進行研究。并且在此過程中，也會進行相應的拓展研究，對如何提高箱變材料的熱傳導性能、熱塑性也有一定的分析。

第二、由于光熱直接利用技術存在著能量轉換效率低的問題，因此，如何提高轉換效率，研發優化熱能轉換裝置，強化蓄熱器的熱損失，也成為蓄熱箱變材料主要的研究方向與未來發展的趨勢。

上世紀改革開放以后，我國才逐步建立起屬于自己的一系列相變蓄熱材料的研究。并且主要是針對無機水合鹽材料的研究。然而這種材料具有明顯的腐蝕性，因此，在實際應用過程中對于熱轉換器、熱儲存器的使用周期具有極其致命的負面作用。

近年來新型復合材料也逐步進入了人們的視野，并且我國科研人員張正國等人，對其物理、化學性質進行了深入淺出的研究，并取得不錯的效果。他們研究成果表明，新型復合蓄熱裁量相較于以前單一的材料，具有明顯的熱轉換效率，其中相變速率提高15%到25%。并且由于近幾十年對于高分子學的充分研究，使人們發現高分子石蠟復合材料對于太陽能蓄熱效率的提高有著顯著地作用。因此，研究高性能的高分子石蠟符合材料也必將成為未來研究的熱點方向。

3 太陽能采暖系統以及相變蓄熱材料在太陽能采暖中的應用

太陽能采暖系統分別有太陽能采集器與輔助熱源，熱量儲存以及熱量轉換設備。工作原理即白天太陽光照較強時，通過集熱器進行正常的熱量轉換，并進行相應的采暖過程，等到晚上光照相對不足時，再通過相對應的輔助熱源通過蓄熱轉換器進行對于熱量的補充。太陽能采暖系統相對于其他系統相比具有以下的特點。首先是能夠克服在低溫下運行的問題，其次具有儲熱裝置提高了能量的利用效率，并且使太陽能能夠充分均勻分配在一天當中。最后相對于其他裝置，具有污染小，能耗低的特點，對于社會可持續發展具有十分重要的現實作用。

相變蓄熱材料在太陽能采暖系統中的應用方式主要分為以下幾種：顯熱蓄熱、相變蓄熱、熱化學蓄能材料。在這之中，相變蓄熱利用其材料本身在不同的相便是通過吸收或釋放大量的熱量來進行能量的儲存于釋放，并且具有十分高效的蓄熱密度、使其在蓄熱材料的應用中處于前列。

4 相變蓄熱材料的研究熱點分析

在相變蓄熱儲存過程中，盡管其具有蓄熱密度高、高耐熱性等許多優良性能，然而其導熱性能卻存在著一定的缺陷，使得人們在過去很長時間之內的相變蓄熱材料的研究陷入了一種原地踏步的階段。然而，隨著高分子復合材料學的廣泛且快速發展，使得以高導熱性材料作材質的復合新材料成為可能，并且也成為目前相變蓄熱材料的熱點研究方向。

5 展望與總結

隨著人類社會對于能源需求的日益增加，以及對于環境保護的日益重視，太陽能作為一次能源以及可再生能源，對于人類未來的能源供應起著十分重要的作用，并且具有十分重要的戰略意義，它的市場應用場景廣泛，對未來的研究投入有很好的前景。在這一背景基礎上，相變蓄熱材料與太陽能采暖系統的廣泛結合與推廣，對于我國未來在太陽能領域的發展起著先決作用，并且對于我們在該領域的研究的領導地位也有一定的促進，除此之外，對于我國探索海綿城市，以及未來可持續發展的千年大計也具有十分重要的現實意義。總之，相變蓄熱技術應用于太陽能采暖系統具有十分明朗的前景與廣闊的市場。

參考文獻：

[1]杜輝.相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用分析[J].科技風，2020（01）：122.

[2]戴遠哲，唐波，李旭飛，張振宇.相變蓄熱材料研究進展[J].化學通報，2019，82（08）：717-724+730.

[3]劉婧，劉建，張聲贊.相變蓄熱材料應用于太陽能采暖的研究現狀[J].化工管理，2018（14）：26.

[4]楊亞帥.基于太陽能供暖系統的相變蓄熱材料研究[D].河北工業大學，2017.

[5]朱傳輝，李保國.相變蓄熱材料應用于太陽能采暖的研究現狀[J].中國材料進展，2017，36（03）：236-240.

[6]趙海東，張咪，馬宏芳，賀格格，溫帥.粉煤灰基高溫復合相變蓄熱材料的制備[J].山西大同大學學報（自然科學版），2016，32（05）：38-40

[7]王柵，劉凱，李靜，侯景鑫.相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用[J].資源節約與環保，2016（09）：114.

[8]李勇，郭蓓，黃官飛，譚書鵬，河合武，宮保修一，束鵬程.太陽能熱發電復合相變蓄熱材料的實驗研究[J].西安交通大學學報，2014，48（03）：49-95.