相变材料（PCM）的应用及相关介绍

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

文献参考：

Nazir, H. et al. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: A review. Int. J. Heat Mass Transf. 129, 491–523 (2019).

Singh, R., Sadeghi, S. & Shabani, B. Thermal Conductivity Enhancement of Phase Change Materials for Low-Temperature Thermal Energy Storage Applications. Energies 12, 75 (2018).

Kuta, M., Matuszewska, D. & Wójcik, T. M. The role of phase change materials for the sustainable energy. E3S Web Conf. 10, 00068 (2016).

Mofijur, M. et al. Phase Change Materials (PCM) for Solar Energy Usages and Storage: An Overview. Energies 12, 3167 (2019).