相变材料(PCM)的应用
太阳能和风能等自然可再生能源在应对气候变化方面不可或缺。然而,可再生能源是间歇性供应的。例如,晚上没有阳光,风也不总是在吹。可再生能源的这种自然波动与世界电力需求不一致,导致供需不匹配。因此,为了有效利用可再生能源,必须有一种成本效益高、规模可观的储能方式,能够在用电非高峰时段吸收多余的能量,并在用电高峰时段供应储存的能量。
储能方式多种多样,相变材料(PCM)是最适合有效储存可再生能源热能的材料之一。相变材料是在相变周期中具有吸收和释放热量的固有能力的材料。利用相变储能材料的潜热储存在各个领域都有应用,包括建筑储能系统、废热回收系统、温度调节纤维、智能纺织材料、电池热管理、微电子温度管理、光伏热(PV/T)应用、空间和地面热储能应用,以及温室的温度管理。几种分类为有机、无机或共晶混合物的相变材料可用于能量存储,实际应用中对PCM的选择取决于其材料特性。考虑的关键材料特性是熔点、潜热、导热性、毒性、可燃性、成本和可用性。在这些标准中,准确预测热导率对于确定 PCM 充放电存储热能的难易程度至关重要,并且在使用 PCM 的技术运行性能中起着重要作用。
大多数相变材料的热导率较低,尤其是有机化合物,而提高热导率是PCM存储应用最重要的设计标准之一。 最常用的传热增强方法是使用翅片、插入或分散高导热材料、多管以及微封装或宏封装。
用于太阳能热水器的PCM
一台太阳能热水器的使用可以在20年内减少大约50吨的二氧化碳排放。与传统的太阳能热水器相比,基于 TES 技术的固液 PCM 相结合可以比传统的太阳能热水器吸收更多的热量。基于PCM的太阳能热水器不仅可以提高效率,还可以避免储水温度的波动。起初,热水器是通过在加热器底部填充 PCM 来支撑的。然而,存储系统中的可用能量受到PCM低导热系数的限制。目前,一些研究人员致力于提高PCM的热导率,以便更有效地储存热能以供热水。典型太阳能热水器的结构下图1所示。
图1:基于 TES 技术的固液 PCM 相结合太阳能热水器布局
用于聚光太阳能的 PCM
聚光太阳能发电(CSP)是另一种利用相变储能材料进行热能储存的成熟技术。美国和西班牙目前正在运行十几座使用PCM的大型发电厂,以及一座CSP塔式发电厂。图 2 提供了 PCM 集成 CSP 的示意图。针对CSP系统研究的PCM包括有机化合物(糖醇(<200℃)、熔盐(>300℃)和金属合金(>500℃)。在典型的PCM集成CSP中,PCM在非高峰时段被加热并存储在绝缘容器中。当需要储存能量时,PCM被泵入蒸汽发生器,蒸汽发生器将水煮沸,旋转涡轮机并发电。冷却后的PCM被抽回储液罐进行加热并重复使用。
在所有这些应用中,PCM 的充电和放电速率在商业应用的可行性中起着重要作用,而商业应用的可行性又取决于PCM的热导率。
图2:PCM 集成 CSP 的示意图