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2020-11-15
蓄熱形式大致可分為“顯熱蓄熱”、“潛熱蓄熱”和“熱化學蓄能”蓄熱三種。儲熱應(yīng)用在特定溫度下的優(yōu)點。具有這種儲熱類型的物質(zhì)通常被稱為“相變儲熱材料，相變材料，PCM”。相變材料按相變類別可細分為以下幾種形式，如固相-固相、固相-液相、液相-氣相、固相-氣相等。具有更大的應(yīng)用潛力。相變材料可分為有機、無機和“共晶”物質(zhì)，常見的材料有“石蠟”、脂肪酸、“水合物”等，由于不同的適用溫度范圍和蓄熱能力的差異，需要根據(jù)應(yīng)用范圍和特性選擇合適的相變蓄熱材料。
通過改變溫度，可以控制物質(zhì)的相變，進而控制能量的儲存和釋放。除了溫度，最近發(fā)現(xiàn)很多材料可以通過電流等方式進行相變，增強了蓄熱技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?。相變材料可用于廣泛的應(yīng)用。例如，結(jié)合太陽能熱發(fā)電，可以將太陽的熱能作為蓄熱介質(zhì)，通過“熔鹽”儲存能量。利用過熱蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電，不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且使用靈活。該蓄熱材料還可以與普通太陽能電池相結(jié)合，對熱能進行管控，改善運行過程中溫度升高導(dǎo)致電池效率降低的問題。綠色建筑設(shè)計也有使用相變材料的例子，這將該材料用于建筑物的外墻、天花板或地板。白天陽光強烈時，可儲存多余熱量，有效吸收熱量，避免室內(nèi)溫度升高。當夜間氣溫下降時，建筑材料在白天吸收的熱能可以保持或保持。提高室內(nèi)溫度，可以大大減少空調(diào)和取暖器的使用，從而達到節(jié)能的效果。
相變材料已逐漸應(yīng)用于冷藏運輸柜、保溫設(shè)備、服裝、航空航天等領(lǐng)域。此外，科學家們還在繼續(xù)努力開發(fā)新的突破性蓄熱材料。日本東京大學化學系的S. Ohkoshi和筑波大學數(shù)學系的Hiroko Tokoro教授研究相變蓄熱陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)在室溫和530K之間的特殊類型，氧化鈦具有λ相和β相的固固相變，相變潛熱值達到230KJ/L，施加很小的外壓即可將λ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。同時，大量儲存的潛熱被釋放出來，β相轉(zhuǎn)化后，也可以通過加熱、照明，甚至通電恢復(fù)到λ相。因此，這種材料除了一般的蓄熱方式外，還可以吸收多余的電能或陽光等能量，將不同類型的能量儲存在這種特殊的材料中，在適當控制外部壓力時釋放能量，從而實現(xiàn)能量的儲存或釋放。 ，該研究成果于發(fā)表在《自然通訊》雜志上，其后續(xù)開發(fā)和應(yīng)用值得關(guān)注。
與臺灣大冶大學姚品泉教授合作，進行石墨烯-石蠟復(fù)合材料的相關(guān)研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的石墨烯總量（3wt.）下，懸浮液（10wt.、20wt.、30wt.）制備的石蠟PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常相似；滴點實驗表明，以上三種石墨烯懸浮液配方均能獲得穩(wěn)定的液滴點提升，其中，30wt.液滴石蠟PCM復(fù)合材料由配方獲得升溫效果最好，從http://opentagclosetag.com/℃到http://opentagclosetag.com/℃，證明加入石墨烯可以使石蠟相變材料達到設(shè)定值效果更快。石墨烯的分散性是提高PCM復(fù)合材料熱性能的關(guān)鍵。初步研究發(fā)現(xiàn)，單獨添加石墨烯粉末無法獲得均勻的石蠟PCM復(fù)合材料。如果改用石墨烯懸浮液，分散性可以大大提高。進一步研究發(fā)現(xiàn)，如果加入適量的“表面活性劑”，可以獲得更均勻的石蠟PCM復(fù)合材料。 《熱重分析，TGA》顯示，含陰離子表面活性劑（AOT）的石蠟PCM復(fù)合樣品的理論石墨烯含量與實驗值相差僅http://opentagclosetag.com/，證明添加表面活性劑的加入可有效提高上述復(fù)合材料的分散性。 PCM復(fù)合材料的潛熱值通過差示掃描量熱法DSC測量。結(jié)果表明，不同濃度混懸劑制備的樣品具有良好的分散性。添加量，其潛熱損失值（與純石蠟相比）非常相似，約為5-8。如果添加碳納米管或氮化硼等其他導(dǎo)熱材料，得到的石蠟PCM復(fù)合材料的潛熱損失更高，說明石墨烯是更合適的相變材料添加劑。
2019年，王如珠等人。上海交通大學教授提出通過構(gòu)建大尺寸石墨納米片來合成高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料的新思路。石墨烯優(yōu)越的導(dǎo)熱增強效果，這種方法有望加速相變用于電子設(shè)備大規(guī)模蓄熱和熱管理的材料的商業(yè)應(yīng)用。基于上述材料設(shè)計方法合成的復(fù)合相變材料，當添加劑含量低于40wt時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達35W/mK。此外，所得復(fù)合相變材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)比文獻數(shù)據(jù)高2-6倍。論文還開展了高性能復(fù)合相變材料的應(yīng)用研究，將復(fù)合相變材料與換熱管相結(jié)合，開發(fā)出高效蓄熱裝置。此外，將復(fù)合相變材料用于動力電池熱管理，測試發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變材料可有效控制電池在高倍率運行下的溫度，延長工作時間。
儲熱材料和應(yīng)用技術(shù)可以幫助我們更有效地利用能源。目前已經(jīng)在具體領(lǐng)域展示了應(yīng)用實例，但如何擴大工作溫度范圍，提高能量密度，降低成本，提高使用壽命和穩(wěn)定性，仍需進一步開發(fā)和驗證新型蓄熱器的應(yīng)用范圍材料特性、系統(tǒng)設(shè)計、原理和機理等方面。通過結(jié)合更多樣化的能源產(chǎn)生、使用和存儲技術(shù)（包括蓄電和蓄熱等），提高區(qū)域能源穩(wěn)定性、可控性和使用效率。邁向低碳社會和綠色環(huán)境的重要一步。小路。
參考：
1）。自然通訊，2015，6：7037。 DOI.: http://opentagclosetag.com/
2）。先進材料，2019，1905099。| DOI .: http://opentagclosetag.com/
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