相變儲能材料在新能源領域的應用

周文凱，王賽羽

（西藏大學，西藏拉薩 850000）

隨著全球能源需求的逐漸增長，資源的日漸匱乏，環境的日益污染，新能源的開發和利用逐漸成為了全球性問題[1]。然而，新能源具有隨機性、不穩定性等特點，需要高效地儲存和利用技術。其中，相變儲能材料（PCM）作為一種重要的儲能介質，因其高效、環保、可逆的特性，在新能源領域具有廣泛的應用前景。相變儲能材料是一種能夠在溫度變化時發生相變，從而吸收或釋放能量的材料。這種材料的特性使得它在新能源領域具有重要的作用。首先，相變儲能材料可以有效地儲存和釋放太陽能，提高太陽能利用效率；其次，相變儲能材料也可以用于儲存和釋放風能，提高風力發電的穩定性；此外，相變儲能材料還可以用于儲存和釋放海洋能，如潮汐能等。為新能源的儲存和利用提供了新的可能性。

1 相變儲能材料

1.1 相變儲能材料基本概念

相變儲能材料（PCM）是指能夠在外界條件變化時發生相變的材料；例如溫度和壓強的變化會使其發生相變。它的基本原理是利用材料的物態變化吸收或釋放能量。在熱量的吸收和釋放過程中，相變儲能材料開始對熱能進行儲存和釋放。當材料在吸收熱量時，溫度升高，狀態由固態變為液態[2]；而當材料釋放熱量時，溫度降低，狀態由液態變為固態[3]。

1.2 相變儲能材料特點

1.2.1 高效儲能

相變儲能材料能夠在不消耗其他能源的情況下，將儲存的能量用于需要的地方，同時能夠利用自身的相變特性，將熱能高效地儲存和釋放，避免了傳統電池等儲能技術中的能量損失。

1.2.2 可逆性

相變儲能材料的儲能過程是可逆的，可以多次循環使用，壽命長，并且可以在反復使用中保持其性能，無需頻繁更換，并且易于維護。

1.2.3 環保性

相變儲能材料能夠在較小的體積和質量下吸收或釋放大量的能量，并且能夠在較短的時間內完成相變過程，同時在相變過程中不會產生有害物質，對環境友好。

1.2.4 溫度調節

相變儲能材料可以作為建筑物的調溫材料，通過吸收和釋放熱量，較容易地調節室內溫度。

1.3 相變儲能材料分類

相變儲能材料（PCM）作為一種重要的儲能介質，它具有高效、環保、可逆的特性，在新能源領域具有廣泛的應用前景，為新能源的儲存和利用提供了新的可能性。近年來，相變儲能材料種類繁多，分類依據也有許多。見圖1，相變儲能材料可以按材料性能、相變形式、相變溫度為分類依據對其分類。

圖1 相變儲能材料的分類

1.3.1 按材料性能劃分

相變儲能材料在以材料性能為依據分類時，可分為無機類相變儲能材料，目前使用較廣泛的材料；有機類相變儲能材料，目前性能較穩定的材料；復合類相變儲能材料，目前集優點于一身的材料和金屬基相變儲能材料[4]。

無機類相變儲能材料導熱率高、熔化潛熱高，但有“過冷”和“相分離”的狀況[5]；結晶水合鹽、熔融鹽是目前最具有代表性的兩大類無機相變儲能材料。

有機類相變材料的性能較穩定、導熱率偏低、也沒有“過冷”和“相分離”的情況；主要有石蠟、脂肪酸等。

單一相變儲能材料存在很多不足，目前出現了復合相變儲能材料，它集齊了其他相變儲能材料的優點，摒棄了缺點[6]。

對于金屬基相變儲能材料，它的不足在于極易被氧化和被腐蝕；但它的優點是具有較大的導熱系數、較大的儲熱量及較小的相變體積；主要有金屬基復合材料和鎂基合金相變材料等。

1.3.2 按相變形式劃分

相變儲能材料在以相變形式為依據分類時，可分為固-固相變儲能材料[7]，目前廣泛利用的儲能材料；固-液相變儲能材料，目前可循環多次使用的材料；固-氣相變儲能材料和液-氣相變儲能材料。

固-固相變儲能材料首先具有較高的能量密度，可以儲存大量的能量；其次固-固相變儲能材料在儲能和釋放能量過程中的能量轉換效率較高，能夠高效地將儲存的能量釋放出來；再次，固-固相變儲能材料通常具有較長的壽命，能夠循環多次使用而不出現明顯的衰減；最后相比于其他儲能材料，固-固相變儲能材料通常具有較高的安全性，不易發生火災或爆炸等危險。但是固-固相變儲能材料通常比較重，因為它們需要更多的物質來儲存相變所需的能量；相變材料的體積往往較大，這可能對其在某些應用中的可行性造成限制；變溫范圍也有限，不同的相變材料具有不同的相變溫度范圍，這可能限制了其在寬溫度范圍內的應用；最后隨著循環使用次數的增加，固-固相變儲能材料需要周期性更換或修復，耗資巨大；主要有多元醇、高分子材料等。

固-液相變儲能材料首先具有較高的能量密度，可以儲存大量的能量[8]；其次，相變溫度和釋放溫度可以通過調整固體和液體的組成進行控制，便于實現靈活的能量儲存和釋放；再次，當儲能材料接觸到液體時，相變過程通常很快，從而可以實現快速的能量儲存和釋放；最后，固-液相變儲能材料通常具有較高的循環壽命，能夠循環多次使用而不出現明顯的衰減。但是固-液相變儲能材料需要與特定的液體接觸才能發生相變，所以其儲能和釋放過程受到液體的影響。這可能會對材料的穩定性和使用環境提出一定的要求；固-液相變儲能材料通常需要與液體接觸，因此需要使用特定的容器進行儲存和釋放。這可能會增加系統的復雜性和成本；固-液相變儲能材料的相變溫度通常是固定的，可能會限制它們在不同溫度范圍內的應用；最后，如果相變材料涉及到液體的蒸發，可能會導致能量的損失和材料的衰減；主要有鹽類、金屬合金、脂肪烴等。

1.3.3 按相變溫度劃分

相變儲能材料在以相變溫度為依據分類時，可分為220℃以內的低溫相變儲能材料、220℃-420℃之間的中溫相變儲能材料和420℃以上的高溫相變儲能材料。

1.4 相變儲能材料意義

隨著新能源技術的不斷發展，太陽能、風能等可再生能源的利用越來越廣泛[9]。然而，這些新能源具有不穩定性，如太陽輻射強度、風力強弱等。為了提高新能源的利用率和穩定性，儲能技術成為了一個重要的研究方向。相變儲能材料作為一種高效、環保的儲能介質，具有重要的應用價值，在新能源領域具有廣泛的應用前景，為新能源的儲存和利用提供了新的可能性。

2 應用

2.1 能量儲存和回收

相變儲能材料可以用作能量儲存和回收裝置。在新能源系統中，如太陽能、風能等不穩定能源的產生過剩時，可以利用相變儲能材料吸收多余的能量，并在能源需求高峰時釋放出來，提供穩定的能源輸出，以實現能量的高效利用。

2.1.1 太陽能熱利用

相變儲能材料可以用于太陽能熱利用系統中。當太陽能光伏板吸收到太陽能后，相變儲能材料可以將多余的熱量吸收并轉化為潛熱能，實現能量的儲存和利用。這樣，在無法直接獲取太陽能時，儲存的能量可以作為備用能源供應給家庭或工業用途。具體系統結構見圖2。

圖2 太陽能熱系統結構圖

2.1.2 風能儲存

相變儲能材料在風能儲存方面也得到了廣泛應用。例如，相變材料可以儲存風力發電產生的多余能量，并在需要時釋放，從而優化電網運行。

2.2 燃料電池系統

相變儲能材料可用于燃料電池系統中，幫助穩定燃料電池的工作溫度并提高其效率。通過利用相變過程中釋放或吸收的熱量來控制燃料電池的溫度，保持在最佳工作溫度范圍內，提高燃料電池的輸出功率和壽命。同時，可用于提高電動汽車的續航能力，將相變材料集成到電池組中，通過相變過程吸收和釋放能量，從而提高電池的儲能密度和效率，因此，相變儲能材料在電動汽車行業也備受重視。就拿國內燃料電池汽車銷量來看，正處在蓬勃發展狀態。見表1。

表1 中國燃料電池汽車銷量數據

2.3 電力系統調峰填谷

相變儲能材料可以應用于電力系統中的調峰填谷技術。在強電負荷需求較高時，相變儲能材料可以以低峰谷電價時段吸收電網過剩的電能，將其轉化為相變潛熱儲存起來。當電力需求增加時，可以釋放儲存的潛熱能量，供應給電網，平衡電力供需差異。

2.4 LED燈光節能

相變儲能材料可以應用于LED 燈光系統中，通過吸收并轉換過多的熱量來降低發光二極管（LED）的工作溫度，減少能源的浪費和發熱帶來的溫室氣體排放。

3 總結與展望

總的來說，相變儲能材料（PCM）在新能源領域的應用具有廣泛的前景和重要的意義。作為一種高效、環保、可逆的儲能介質，相變儲能材料能夠提高新能源的利用效率和穩定性，對推動全球能源結構的轉變具有重要的作用。未來，隨著相變儲能材料技術的不斷發展和完善，其應用領域也將不斷擴大，同時，相變儲能材料的研究和應用將朝著更高效、更環保、智能化的方向發展。隨著相變儲能材料在新能源的儲存和利用中越來越受到世界各國的重視，建議我國加大對相變儲能材料方面的研究開發，積極制定相變儲能材料在新能源領域的應用計劃，使我國新能源儲存技術得到快速發展。