使用相变材料进行储能

可再生能源越来越受欢迎。但是，如果在不需要时有多余的能量，则会浪费掉这种能量。一个特别相关的例子是太阳能。太阳能电池板白天提供大部分的输出功率，而通常家庭最大的能源消耗是在晚上。

解决此问题的一种方法是存储多余的能量，以便以后使用。最常见的方法是使用大电池，但是，这并不是唯一的办法。事实证明，相变材料是存储多余能量并在以后回收的有用工具-能量存储不是电能，而是热量。让我们看一下这项技术是如何工作的，以及它最有用的一些应用程序。

水的加热曲线。注意曲线上的平线，必须克服潜热以改变相位。

一切都与热有关

与电池或电容器不同，相变材料不是以电能的形式存储能量，而是以热量的形式存储。这是通过使用相变的独特物理特性完成的-在材料在固相和液相之间，或在液相和气相之间进行转换的情况下。当将热能施加到诸如水的材料上时，温度升高。但是，当液态水达到接近沸点的温度时，会发生相变。随着更多能量的吸入，温度开始趋于平稳。这是因为必须投入足够的能量来克服所谓的汽化潜热-将液体转化为气体所需的能量。最终，一旦放进足够的热量，水就会变成蒸汽，温度再次自由升高。在相对较小的温度变化下，这种潜热可以在材料中存储大量能量。这种潜热也存在于固-液相变化中，在这里被称为熔融潜热。通过利用潜热，可以以相对较小的实际温度变化来存储大量能量，并通过操纵材料的相变来进行存与取。

市场上最常见的相变储热形式是醋酸钠暖手器。这些暖手器在塑料袋中包含乙酸钠凝胶。通过调整凝胶中的金属圆盘为凝胶提供成核点时，凝胶会快速将相从过饱和液体变为固体。像这样突然冻结，释放了材料以液态形式保持的潜热，并很好地温暖了使用者的手。稍后可以通过加热手动加热器使乙酸钠再次融化，然后再将其缓慢冷却至室温，从而对材料进行充电。然后，潜热将被困在液体中，直到再次受到干扰，使其再次冻结。

通过相变效应，已经研究了多种材料用于储热。石蜡可能是最常研究的一种，这是由于其相变发生在有用的温度范围内。但是，其低的热导率限制了能量交换的速率，从而影响了性能。水合盐尽管面临自身的问题，却是另一种具有重大意义的材料。通常，此类材料会过冷。当热量从液态物质中提取出来时，其温度下降到冰点以下，而物质并未真正变成固态。在不发生相变的情况下，潜热仍然留在液体中，无法被提取。此外，就像许多电池化学成分一样，重复循环会引起问题。相变材料必须在许多周期内保持其特性，随着时间的流逝，化学药品不会从溶液中脱落或腐蚀，从而不会损坏材料或其外壳。相变储能的许多研究都围绕精炼解决方案，并使用添加剂和其他技术来应对这些基本挑战。通常，随着公司试图通过销售来收回研究成本，此类材料的具体细节仍然是商业秘密。

Sunamp的用于家庭供暖的早期相变电池–请注意输入到内部热交换器的输入和输出流体端口。

可以多种方式使用相变效应，以在功能上存储和节省能量。可以将热量施加到相变材料上，使其熔化，从而将能量作为潜热存储在其中。多余的电能（例如来自可再生资源的电能）可以很容易地存储在这种相变材料中，因为可以将电能非常有效地转化为热量。但是，相反的过程并不容易。

取而代之的是，此类相变设备通常被更直接地输出热量-通过用作热水加热器或为制冷过程提供热能。这通常是通过使工作流体（例如水或制冷剂）简单地通过与相变材料接触的热交换器来实现的。前者对家庭具有广泛的适用性，从而降低了住宅取暖和热水的成本。后者与大型商业和工业设施更相关。特别是在酿酒和冷藏等行业中，制冷可能是运营必不可少的主要底线费用。随着时间的流逝，即使效率提高或能耗减少的比例很小，也能获得巨大的回报。

不同的相变材料会在不同的温度下冻结，从而使其适合于不同的应用。低温材料可用于制冷应用，例如南澳大利亚大学在该项目中的应用。

相变材料的另一个有趣用途是作为建筑物的被动热管理解决方案。想法是使用相变材料，其熔点应在室温左右（例如20-25摄氏度）左右。该材料被封装在塑料垫中，并且可以与绝缘材料一起安装在建筑物的墙壁和天花板中。该材料然后充当一种热缓冲剂。在室内积聚的热能可以被相变材料吸收，从而保持较低的温度。随着建筑物的冷却，该材料可以释放热量，以稳定温度。它可以是增加建筑物热量质量的轻型方法，并且可以减少对HVAC系统主动冷却或加热的依赖。

BioPCM品牌相变材料安装在天花板上。这是一种轻巧的方法，可为建筑物增加热量，从而无需持续加热和冷却即可维持稳定的舒适温度。

展望未来，相变能量存储可能在住宅空间中仍会受到限制。尽管它可以带来好处，但其有限的仅供暖应用使其比可用于整个家庭的电池存储更具吸引力。但是，对于工业过程（例如制冷和过程加热），相变技术有很大的用途，可以用作便宜而有效的能量存储。随着该领域的研究不断进行，随着未来几年节能的相关性不断提高，我们很可能会在将来看到这项技术的更多应用。

另外，微管换热器在蓄热上的快充快放应用也将会大放异彩。