周文凱，王賽羽

（西藏大學(xué)，西藏拉薩 850000）

隨著全球能源需求的逐漸增長(zhǎng)，資源的日漸匱乏，環(huán)境的日益污染，新能源的開發(fā)和利用逐漸成為了全球性問(wèn)題[1]。然而，新能源具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，需要高效地儲(chǔ)存和利用技術(shù)。其中，相變儲(chǔ)能材料（PCM）作為一種重要的儲(chǔ)能介質(zhì)，因其高效、環(huán)保、可逆的特性，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相變儲(chǔ)能材料是一種能夠在溫度變化時(shí)發(fā)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(lǐng)域具有重要的作用。首先，相變儲(chǔ)能材料可以有效地儲(chǔ)存和釋放太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能利用效率；其次，相變儲(chǔ)能材料也可以用于儲(chǔ)存和釋放風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性；此外，相變儲(chǔ)能材料還可以用于儲(chǔ)存和釋放海洋能，如潮汐能等。為新能源的儲(chǔ)存和利用提供了新的可能性。

1 相變儲(chǔ)能材料

1.1 相變儲(chǔ)能材料基本概念

相變儲(chǔ)能材料（PCM）是指能夠在外界條件變化時(shí)發(fā)生相變的材料；例如溫度和壓強(qiáng)的變化會(huì)使其發(fā)生相變。它的基本原理是利用材料的物態(tài)變化吸收或釋放能量。在熱量的吸收和釋放過(guò)程中，相變儲(chǔ)能材料開始對(duì)熱能進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放。當(dāng)材料在吸收熱量時(shí)，溫度升高，狀態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)[2]；而當(dāng)材料釋放熱量時(shí)，溫度降低，狀態(tài)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)[3]。

1.2 相變儲(chǔ)能材料特點(diǎn)

1.2.1 高效儲(chǔ)能

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

1.2.2 可逆性

相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，可以多次循環(huán)使用，壽命長(zhǎng)，并且可以在反復(fù)使用中保持其性能，無(wú)需頻繁更換，并且易于維護(hù)。

1.2.3 環(huán)保性

相變儲(chǔ)能材料能夠在較小的體積和質(zhì)量下吸收或釋放大量的能量，并且能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成相變過(guò)程，同時(shí)在相變過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好。

1.2.4 溫度調(diào)節(jié)

相變儲(chǔ)能材料可以作為建筑物的調(diào)溫材料，通過(guò)吸收和釋放熱量，較容易地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

1.3 相變儲(chǔ)能材料分類

相變儲(chǔ)能材料（PCM）作為一種重要的儲(chǔ)能介質(zhì)，它具有高效、環(huán)保、可逆的特性，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，為新能源的儲(chǔ)存和利用提供了新的可能性。近年來(lái)，相變儲(chǔ)能材料種類繁多，分類依據(jù)也有許多。見(jiàn)圖1，相變儲(chǔ)能材料可以按材料性能、相變形式、相變溫度為分類依據(jù)對(duì)其分類。

圖1 相變儲(chǔ)能材料的分類

1.3.1 按材料性能劃分

相變儲(chǔ)能材料在以材料性能為依據(jù)分類時(shí)，可分為無(wú)機(jī)類相變儲(chǔ)能材料，目前使用較廣泛的材料；有機(jī)類相變儲(chǔ)能材料，目前性能較穩(wěn)定的材料；復(fù)合類相變儲(chǔ)能材料，目前集優(yōu)點(diǎn)于一身的材料和金屬基相變儲(chǔ)能材料[4]。

無(wú)機(jī)類相變儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱率高、熔化潛熱高，但有“過(guò)冷”和“相分離”的狀況[5]；結(jié)晶水合鹽、熔融鹽是目前最具有代表性的兩大類無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料。

有機(jī)類相變材料的性能較穩(wěn)定、導(dǎo)熱率偏低、也沒(méi)有“過(guò)冷”和“相分離”的情況；主要有石蠟、脂肪酸等。

單一相變儲(chǔ)能材料存在很多不足，目前出現(xiàn)了復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，它集齊了其他相變儲(chǔ)能材料的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了缺點(diǎn)[6]。

對(duì)于金屬基相變儲(chǔ)能材料，它的不足在于極易被氧化和被腐蝕；但它的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、較大的儲(chǔ)熱量及較小的相變體積；主要有金屬基復(fù)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(chǔ)能材料在以相變形式為依據(jù)分類時(shí)，可分為固-固相變儲(chǔ)能材料[7]，目前廣泛利用的儲(chǔ)能材料；固-液相變儲(chǔ)能材料，目前可循環(huán)多次使用的材料；固-氣相變儲(chǔ)能材料和液-氣相變儲(chǔ)能材料。

固-固相變儲(chǔ)能材料首先具有較高的能量密度，可以儲(chǔ)存大量的能量；其次固-固相變儲(chǔ)能材料在儲(chǔ)能和釋放能量過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率較高，能夠高效地將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)；再次，固-固相變儲(chǔ)能材料通常具有較長(zhǎng)的壽命，能夠循環(huán)多次使用而不出現(xiàn)明顯的衰減；最后相比于其他儲(chǔ)能材料，固-固相變儲(chǔ)能材料通常具有較高的安全性，不易發(fā)生火災(zāi)或爆炸等危險(xiǎn)。但是固-固相變儲(chǔ)能材料通常比較重，因?yàn)樗鼈冃枰嗟奈镔|(zhì)來(lái)儲(chǔ)存相變所需的能量；相變材料的體積往往較大，這可能對(duì)其在某些應(yīng)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(nèi)的應(yīng)用；最后隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，固-固相變儲(chǔ)能材料需要周期性更換或修復(fù)，耗資巨大；主要有多元醇、高分子材料等。

固-液相變儲(chǔ)能材料首先具有較高的能量密度，可以儲(chǔ)存大量的能量[8]；其次，相變溫度和釋放溫度可以通過(guò)調(diào)整固體和液體的組成進(jìn)行控制，便于實(shí)現(xiàn)靈活的能量?jī)?chǔ)存和釋放；再次，當(dāng)儲(chǔ)能材料接觸到液體時(shí)，相變過(guò)程通常很快，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的能量?jī)?chǔ)存和釋放；最后，固-液相變儲(chǔ)能材料通常具有較高的循環(huán)壽命，能夠循環(huán)多次使用而不出現(xiàn)明顯的衰減。但是固-液相變儲(chǔ)能材料需要與特定的液體接觸才能發(fā)生相變，所以其儲(chǔ)能和釋放過(guò)程受到液體的影響。這可能會(huì)對(duì)材料的穩(wěn)定性和使用環(huán)境提出一定的要求；固-液相變儲(chǔ)能材料通常需要與液體接觸，因此需要使用特定的容器進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放。這可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本；固-液相變儲(chǔ)能材料的相變溫度通常是固定的，可能會(huì)限制它們?cè)诓煌瑴囟确秶鷥?nèi)的應(yīng)用；最后，如果相變材料涉及到液體的蒸發(fā)，可能會(huì)導(dǎo)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(chǔ)能材料在以相變溫度為依據(jù)分類時(shí)，可分為220℃以內(nèi)的低溫相變儲(chǔ)能材料、220℃-420℃之間的中溫相變儲(chǔ)能材料和420℃以上的高溫相變儲(chǔ)能材料。

1.4 相變儲(chǔ)能材料意義

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的利用越來(lái)越廣泛[9]。然而，這些新能源具有不穩(wěn)定性，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)力強(qiáng)弱等。為了提高新能源的利用率和穩(wěn)定性，儲(chǔ)能技術(shù)成為了一個(gè)重要的研究方向。相變儲(chǔ)能材料作為一種高效、環(huán)保的儲(chǔ)能介質(zhì)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，為新能源的儲(chǔ)存和利用提供了新的可能性。

2 應(yīng)用

2.1 能量?jī)?chǔ)存和回收

相變儲(chǔ)能材料可以用作能量?jī)?chǔ)存和回收裝置。在新能源系統(tǒng)中，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等不穩(wěn)定能源的產(chǎn)生過(guò)剩時(shí)，可以利用相變儲(chǔ)能材料吸收多余的能量，并在能源需求高峰時(shí)釋放出來(lái)，提供穩(wěn)定的能源輸出，以實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。

2.1.1 太陽(yáng)能熱利用

相變儲(chǔ)能材料可以用于太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中。當(dāng)太陽(yáng)能光伏板吸收到太陽(yáng)能后，相變儲(chǔ)能材料可以將多余的熱量吸收并轉(zhuǎn)化為潛熱能，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用。這樣，在無(wú)法直接獲取太陽(yáng)能時(shí)，儲(chǔ)存的能量可以作為備用能源供應(yīng)給家庭或工業(yè)用途。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 風(fēng)能儲(chǔ)存

相變儲(chǔ)能材料在風(fēng)能儲(chǔ)存方面也得到了廣泛應(yīng)用。例如，相變材料可以儲(chǔ)存風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的多余能量，并在需要時(shí)釋放，從而優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 燃料電池系統(tǒng)

相變儲(chǔ)能材料可用于燃料電池系統(tǒng)中，幫助穩(wěn)定燃料電池的工作溫度并提高其效率。通過(guò)利用相變過(guò)程中釋放或吸收的熱量來(lái)控制燃料電池的溫度，保持在最佳工作溫度范圍內(nèi)，提高燃料電池的輸出功率和壽命。同時(shí)，可用于提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，將相變材料集成到電池組中，通過(guò)相變過(guò)程吸收和釋放能量，從而提高電池的儲(chǔ)能密度和效率，因此，相變儲(chǔ)能材料在電動(dòng)汽車行業(yè)也備受重視。就拿國(guó)內(nèi)燃料電池汽車銷量來(lái)看，正處在蓬勃發(fā)展?fàn)顟B(tài)。見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)燃料電池汽車銷量數(shù)據(jù)

2.3 電力系統(tǒng)調(diào)峰填谷

相變儲(chǔ)能材料可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的調(diào)峰填谷技術(shù)。在強(qiáng)電負(fù)荷需求較高時(shí)，相變儲(chǔ)能材料可以以低峰谷電價(jià)時(shí)段吸收電網(wǎng)過(guò)剩的電能，將其轉(zhuǎn)化為相變潛熱儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)電力需求增加時(shí)，可以釋放儲(chǔ)存的潛熱能量，供應(yīng)給電網(wǎng)，平衡電力供需差異。

2.4 LED燈光節(jié)能

相變儲(chǔ)能材料可以應(yīng)用于LED 燈光系統(tǒng)中，通過(guò)吸收并轉(zhuǎn)換過(guò)多的熱量來(lái)降低發(fā)光二極管（LED）的工作溫度，減少能源的浪費(fèi)和發(fā)熱帶來(lái)的溫室氣體排放。

3 總結(jié)與展望

總的來(lái)說(shuō)，相變儲(chǔ)能材料（PCM）在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的意義。作為一種高效、環(huán)保、可逆的儲(chǔ)能介質(zhì)，相變儲(chǔ)能材料能夠提高新能源的利用效率和穩(wěn)定性，對(duì)推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變具有重要的作用。未來(lái)，隨著相變儲(chǔ)能材料技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大，同時(shí)，相變儲(chǔ)能材料的研究和應(yīng)用將朝著更高效、更環(huán)保、智能化的方向發(fā)展。隨著相變儲(chǔ)能材料在新能源的儲(chǔ)存和利用中越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，建議我國(guó)加大對(duì)相變儲(chǔ)能材料方面的研究開發(fā)，積極制定相變儲(chǔ)能材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用計(jì)劃，使我國(guó)新能源儲(chǔ)存技術(shù)得到快速發(fā)展。