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1、 相變儲能材料的機理
相變材料從液態向固態轉變時，要經歷物理狀態的變化。在這兩種相變過程中，材料要從環境中吸熱．反之，向環境放熱。在物理狀態發生變化時可儲存或釋放的能量稱為相變熱，發生相變的溫度范圍很窄。物理狀態發生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變。大量相變熱轉移到環境中時，產生了一個寬的溫度平臺。該溫度平臺的出現，體現了恒溫時間的延長，并可與顯熱和絕緣材料區分開絕緣材料只提供熱溫度變化梯度。相變材料在熱循環時，儲存或釋放潛熱。
相變材料在熔化或凝固過程中雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。以冰-水相變的過程為例．對相變材料在相變時所吸收的潛熱以及普通加熱條件下所吸收的熱量作一比較：當冰熔解時，吸收335J／g的潛熱，當水進一步加熱，溫度每升高1℃，它只吸收大約4壇的能量。因此，由冰到水的相變過程中所吸收的潛熱幾乎比相變溫度范圍外加熱過程的熱吸收高80多倍。除冰水之外，已知的天然和合成的相變材料超過500種，且這些材料的相變溫度和儲熱能力各不相同。把相變材料與普通建筑材料相結合，還可以形成一種新型的復合儲能建筑材料。這種建材兼備普通建材和相變材料兩者的優點。
目前，采用的相變材料的潛熱達到17OJ／g左右，而普通建材在溫度變化1℃時儲存同等熱量將需要190倍相變材料的質量。因此，復合相變材料具有普通建材無法比擬的熱容，對于房間內的氣溫穩定及空調系統工況的平穩是非常有利的。
相變材料應具有以下幾個特點：凝固熔化溫度窄，相變潛熱高，導熱率高，比熱大，凝固時無過冷或過冷度極小，化學性能穩定，室溫下蒸汽壓低。此外，相變材料還需與建筑材料相容，可被吸收。
2、 相變儲能材料的分類
相變儲能材料根據相變形式、相變過程主要分為固一固相變、固一液相變儲能材料；按照相變溫度范圍分為高、中、低溫儲能材料；按照其成分又大致可分為無機物和有機橛包括高分子)儲能材料。通常，相變材料是出多組份構成的，包括主儲熱劑、相變點調整劑、防過冷劑、防相分離劑、相變促進劑等組份。
2．1 固一液相變儲能材料
目前．國內外研制的固一液相變材料主要有無機水合鹽和有機物。
2．1．1 無機儲能材料
高溫相變材料主要有單純鹽(如LiF、LiH)、堿(如NaOH)、金屬與合金(如Mg—Cu)高溫熔化鹽類和混合鹽類等。高溫熔化鹽類主要是氟化鹽、氯化物、硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽類物質�；旌消}類溫度范圍寬廣，熔化潛熱大，主要用于熱機、太陽能電站、磁流體發電以及人造衛星等方面，由于其有腐蝕性、價格較高、傳熱器構造復雜等方面的原因而較少使用。
(1)單純鹽：LiH分子量小而熔化熱很 2840J／g)，已應用于人造衛星上作儲能物質：LiF也是一種理想的儲能物質，以550～848℃顯熱和843℃熔化熱開動斯特林熱機，采用真空密閉型。缺點是價格高，只能應用于特殊場合。
(2)堿：堿的比熱高，熔化熱大，穩定性強。在高溫下蒸汽壓力很低。價格便宜，也是較好的儲能物質。NaOH在287℃和318℃均有相變，潛熱達330J／g。
(3)金屬與合金：金屬必須是低毒、價廉。鋁因其熔化熱大，導熱性高，蒸汽壓力低，是一種較好的儲能物質。Mg—Zn、Al—Mg、Al—cu、Mg—Cu等合金的熔化熱也十分高，也可作為儲能物質。
(4)混合鹽：可根據需要將各種鹽類配制成120～850％溫度范圍內使用的儲能物質。其熔化熱大，熔融時體積變化小，傳熱較好。無機水合鹽具有較大的熔解熱和固定的熔點，是中低溫相變材料中重要的一類。主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等。結晶水合鹽提供了從幾攝氏度至100多攝氏度熔點的近7O種可供選擇的相變材料。該類相變材料通常是中低溫相變材料的最重要的一類，這類材料具有熔化熱大、導熱系數高、相變時體積變化小、價格便宜等優點。使用較多的主要有堿及堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽及醋酸鹽等。
但是，這類材料易出現‘過冷”和‘相分離”現象。“過冷”是指物質冷凝至巾冷凝點”時并不結晶，而須到‘冷凝點”以下定溫度時方開始結晶，致使相交溫度發生波動。過冷現象與材料性質、冷卻速度及雜質種類和含量有關，為防止過冷現象常添加過冷傾向小、熔點比相變材料略高、組成號性質接近相變材料的防過冷劑。“相分離”是指在多次反復的相變過程中，常發生鹽水分離，有部分鹽類不溶于結晶水而沉于底部，不再與結晶水結合形成分層現象，導致儲能能力大幅度下降，縮短了使用周期。為此常選用增稠劑、晶體結構改變劑作為防相分離劑。為適合應用的要求，需要加入柔軟劑。如硅酸鈉、聚丙烯酰胺、甘油等。為調節相變溫度，可以采用混合相變材料，如：不同摩爾比的水合硫酸鈉和水合碳酸鈉，可以調節24～32℃相變點。
2．1．2 有機儲能材料
常用有機類相變材料有高級脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類、多羥基碳酸類和高分子類等。高分子類包括聚烯烴類、聚多元醇類、聚烯醇類、聚烯酸類、聚酰胺類。
石蠟由直烷烴混合組成。常用石蠟相變材料的熔點為一l2～75．9℃，熔解熱為150J／g到250J／g。優點是熔解熱大，一般不過冷、不析出、性能穩定，無腐蝕性且在有機相變材料中價格最低，缺點是導熱系數小和密度小。酸酯類也是常用的有機物，其性能特點與石蠟相似。
聚烯烴也是一種常用的有機儲能材料。利用聚烯烴類有機儲能材料的潛熱，一般不產生過冷或相分離現象，可長期穩定地進行吸一放熱過程，但多數產品的熔解溫度在100~C以上。如果用在太陽能的儲能上，一般難以達到此溫度，所以應適當降低其熔點，從而擴大應用范圍。具體降低熔點的方法有：一種是在聚乙烯中加入液體添加劑，添加量越多，其熔解和結晶溫度下降的幅度也就越大；另一種是將不同烯烴的組分混合，如聚乙烯與聚丙烯或不同制法的聚乙烯相混合。同系有機物的相變溫度和相變焓一般隨其碳鏈的增長而增加。因此，通過改變碳鏈的長度能得到不同相變溫度的儲能材料，但碳鏈的增長，相變溫度的增加值逐漸減小。高分子化合物類的相變材料是有一定分子量分布的混合物，且分子鏈較長，結晶并不完全．因此其相變過程有一個熔融溫度范圍。有機類相變材料具有固體成型好、不易發生相分離及過冷現象、腐蝕性較小、性能穩定等特征，但與無機類相比，其導熱性較差，熔點較低，溶解熱較小且易揮發、易燃燒。
2．2 固一固相變儲能材料
對固一固相變材料研究較多的有多元醇類、高分子類和層狀鈣鈦礦。
2．2．1 多元醇類
固一固相變儲能材料中多元醇類的實際應用更為廣泛。多元醇類相變材料主要有季戊四醇PE)、2，2一二羧甲基一丙醇PG)、新戊二醇NPG)、三羧甲基乙： TMP)、三羧甲基氨基甲烷等。它們利用其晶型有序到無序)的轉變進行吸、放熱。為滿足實際情況對相變溫度的不同要求，一般將兩種或三種多元醇按照不同比例混合，調節相變溫度。不同種類和不同比例的多元醇混合體系其相變溫度和相變焓有較大變化，其中以加入TMP所形成的PK-TMP體系為最好。多元醇類相變材料具有性能穩定，使用壽命長，相變焓較大，無液相產生，體積變化小等特點。
2．2．2 高分子類
高分子類相變材料中使用較多的是聚乙烯。聚乙烯價廉，易加工，表面光滑，與發熱體表面結合緊密，導熱率高，且結晶度與其導熱率呈線型關系。尤其是結構規整性較高的聚乙烯，如高密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯等，具有較高的結晶度，其單位重量的熔化熱值較大。
2．2．3 層狀鈣鈦礦
層狀鈣鈦礦是一種有機金屬化合物，它被稱為層狀鈣鈦礦是因為其晶體結構是層型的，與礦物鈣鈦礦的結構相似純的層狀鈣鈦礦及其混合物在固一固轉變時有較高的相變焓42～146J／g)，轉變時體積變化較小 5％-10％)，適合用于高溫范圍內的儲能和控溫。但因相變溫度高、價格較貴等原因使用較少。
3、 相變儲能材料的特點
作為相變材料主要應滿足的要求有：合乎需要的相變溫度：足夠大的相變潛熱：性能穩定，可反復使用；相變時的膨脹收縮性小；導熱性好，相變速度快；相變可逆性好，原料廉價易得等。
絕大多數無機物相變材料具有腐蝕性，相變過程中存在過冷和相分離的缺點。為防止無機物相變材料的腐蝕性。儲熱系統必須采用不銹鋼等特殊材料制造，從而增加了制造成本：為抑制無機物相變材料在相變過程中的過冷和相分離，需通過大量試驗研究，尋求好的成核劑和穩定劑。而有機物相變材料則熱導率較低。相變過程中的傳熱性能差，在實際應用中通常采用添加高熱導率材料如：銅粉、鋁粉或石墨等作為填充物以提高熱導率�；虿捎贸崞軗Q熱器，依靠換熱面積的增加來提高傳熱性能，但這些強化傳熱的方法均未能解決有機相變材料熱導率低的本質問題。
固-液相變材料主要優點是價格便宜，但是存在過冷和相分離現象，從而導致儲能不理想：易產生泄露問題，污染環境；腐蝕性較大，封裝容器價格高等缺點。與固-液相變材料相比，固-固相變材料具有不少優點�？梢灾苯蛹�T成型，不需容器盛裝：固一固相變材料膨脹系數較小，相變時體積變化較小：不存在過冷和相分離現象，不需要加入防過冷劑和防相分離劑；毒性很低，腐蝕性很小；無泄露問題，對環境不產生污染；組成穩定，相變可逆性好，使用壽命長：裝置簡單，使用方便。固一固相變材料主要缺點是相變潛熱較低，價格較高。
4 、 應用展望
相變儲能材料的開發已逐步進入實用階段，主要用于控制反應溫度、利用太陽能、儲存工業反應中的余熱和廢熱。低溫儲能主要用于廢熱回收、太陽能儲存及供暖和空調系統。高溫儲能用于熱機、太陽能電站、磁流體發電及人造衛星等方面。此外，固一固相變蓄熱材料主要應用在家庭采暖系統中，它與水合鹽相比．具有不泄漏、收縮膨脹小、熱效率高等優點，能耐3000次以上的冷熱循環(相當于使用壽命25年)：把它們注入紡織物，可以制成保溫性能好、重量輕的服裝：可以用于制作保溫時間比普通陶瓷杯長的保溫杯：含有這種相變材料的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁結冰。因此，它在工程保溫材料、醫療保健產品、航空和航天器材、軍事偵察、日常生活用品等方面有廣闊的應用前景。今后相變儲能材料的發展主要體現在以下幾個方面：
(a)進一步篩選符合環保的低價的有機相變儲能材料，如可再生的脂肪酸及其衍生物。對這類相變材料的深入研究，可以進一步提升相變儲能建筑材料的生態意義；
(b)開發復合相變儲熱材料是克服單一無機或有機相變材料不足，提高其應用性能的有效途徑；
(c)針對相變材料的應用場合，開發出多種復合手段和復合技術，研制出多品種的系列復合相變材料是復合相變材料的發展方向之一；
(d)開發多元相變組合材料。在同一蓄熱系統中采用相變溫度不同的相變材料合理組合，可以顯著提高系統效率，并能維持相變過程中相變速率的均勻性。這對于蓄熱和放熱有嚴格要求的蓄能系統具有重要意義；
(e)進一步關注高溫儲熱和空調儲冷。美國NASA Lewis研究中心利用高溫相變材料成功的實現了世界上第一套空間太陽能熱動力發電系統2kW 電力輸出，標志這一重要的空間電力技術進入了新的階段。太陽能熱動力發電技術是一項新技術，是最有前途的能源解決方案之一，必將極大地推動高溫相變儲熱技術的發展。另外，低溫儲熱技術是當前空調行業研究開發的熱點，并將成為重要的節能手段；
(f)納米復合材料領域的不斷發展，為制備高性能復合相變儲熱材料提供了很好的機遇。利用納米材料的特點制備新型高性能納米復合相變儲熱材料是制備高性能復合相變材料的新途徑。
